建筑鋼結構優化方法探討

肖晨晨

（寧夏農墾勘測設計院（有限公司），銀川 750000）

1 工程概況

以寧夏興墾牧業有限公司第二奶牛場建設項目為例，展開建筑鋼結構設計的優化方法探討， 以期在實際的工作中，能夠做好鋼結構的合理控制，更好地發揮鋼結構的功能和作用。

在本工程建設中，主要包括如下相應內容。

1）養殖生產區：建設泌乳牛舍10 棟，建筑面積123264.00m2；已孕青年牛舍1 棟，建筑面積13 824.00 m2；綜合牛舍1 棟，建筑面積13 824.00 m2；干奶牛舍2 棟，建筑面積27 456.00 m2；后備牛舍5 棟，建筑面積30 212.00 m2；斷奶犢牛舍6 棟，建筑面積17 640.00 m2；雙80 位轉盤擠奶廳（含獸醫診斷室）2 棟，建筑面積15 394.74 m2；特需擠奶廳（2×24 并列式）1 棟，建筑面積1 512.00 m2；并設有轉群通道和擠奶通道。

2）飼料加工區：建設干草棚6 棟，建筑面積16 200.00 m2；青貯平臺2 座，建筑面積83 238.00 m2；機修車間1 座，建筑面積1 386.00 m2；TMR 固定攪拌站1 座。

3）管理生活區：建設管理用房2 座，建筑面積8 859.44 m2；餐廳1 座、建筑面積1 115.55 m2；消毒更衣室1 座，建筑面積為840.42 m2；設備用房3 座，建筑面積234.00 m2；蓄水池、消防水池1 座， 建筑面積3 118.78 m2（其中地上水泵房面積為65.65 m2）。

4）糞污資源化利用區：糞污收集和微濾系統，BES 臥床墊料再生系統、擠奶廳廢水凈化系統，總占地面積約14 666.67 m2。

表1 為本工程的主要技術指標情況。 表2 為本工程主要研究對象單體功能表。

表1 本工程的主要技術指標情況

表2 本工程主要研究對象單體功能表

按照本工程的基本情況， 對本工程鋼結構牛舍部分的設計進行研究分析，確保實際工作中能夠采取合理的優化方法。

2 鋼結構設計優化

2.1 鋼結構的構件設計優化

1）材料的選擇：一般鋼材選型有Q235B 和Q355B。 由于牛舍在使用要求上的限制， 中柱截面不宜過大， 考慮經濟適用，本工程選用鋼材型號為Q355B。 為了便于制作安裝，通常主要承重構件選用單一強度。 當強度起控制作用時， 可選擇Q355B；穩定控制時，可選擇Q235B。

2）截面選擇：門式剛架結構通常宜選擇H 形鋼。H 形鋼柱的翼緣要具備一定的寬度， 以滿足鋼架在平面外的穩定和長細比要求。 本項目根據使用功能要求，中間立柱較多，故邊柱采用H 形鋼，中柱采用鋼方管，并采用在中柱增加斜撐方法來滿足計算要求，從而達到經濟適用穩定美觀的效果[1]。

在具體計算中，可根據項目需要，通過加大翼緣厚度、加大腹板厚度、加大截面的高度、增加斜撐、變截面分段等方法來滿足計算要求。

2.2 鋼結構的節點設計優化

連接節點的設計是鋼結構設計中重要組成部分。 在節點的設計與優化過程中，首先結合施工工藝水平、施工空間等因素，并注意節點的科學選擇，建立模型分析節點受力，立足實際優化設計節點的合理控制，對節點的形式合理確定，保證現場能夠方便有效實現。 節點的連接方式不同，對結構計算影響較大，按傳力特性不同分為剛接、鉸接和半剛接。

按連接形式分有焊縫及螺栓連接。 焊接節點強度高、韌性塑性高但焊接處易生銹，不易拆卸，對焊接焊縫應嚴格按照相應規范要求，不得任意加大焊縫。 焊條的選用應和被連接金屬材質適應。 E43 對應Q235，E50 對應Q355。 要注意的是Q235與Q355 連接時，應該選擇低強度的E43。 螺栓連接的主要構件采用高強螺栓，施工快捷、拆裝方便，但易松動、制孔精度較差。 節點優化設計過程中，需要對鋼結構進行控制，降低鋼結構的隱患發生，結合實際情況，避免鋼結構的隱患發生[2]。

2.3 鋼結構建筑材料的設計優化

為了實現對鋼結構的合理設計優化， 還要對鋼結構材料進行合理的選擇。 在本次項目設計中， 對屋面板材料進行優化，采用屋面板和光伏一體化的方法，進一步提升鋼結構的設計效果。 主要是對南側屋面進行了優化設計，既具有光伏發電功能，又能承擔建筑構件和建筑材料的作用。 BIPV 光伏瓦直接安裝在屋頂檁條上，實現屋頂防火、防水、隔熱保溫、承重功能，具有高壽命、高發電、低壓安全、智能化、免維護等優點。

屋面做法如下：北側屋面覆蓋材料采用100 mm 厚雙層壓型鋼板復合保溫屋面+0.6 mm 厚外板+100 mm 厚玻璃絲綿（密度24 kg/m3）+0.5 mm 厚內板。南側屋面覆蓋材料光伏板外板+50 mm 厚玻璃絲綿（密度24 kg/m3）+ 貼面，光伏板密度≤25 kg/m2。 本工程采用“自發自用，余電上網”模式，實現屋頂防火、防水、隔熱保溫、承重功能，具有高壽命、高發電、低壓安全、智能化、免維護等優點，可以更好地促使本工程能夠滿足奶牛場的功能得到合理提升[3]。

3 鋼結構在施工過程中優化研究

結合寧夏興墾牧業有限公司第二奶牛場建設項目施工現場實際情況， 從以下幾方面對本工程鋼結構的優化設計進行分析研究。

3.1 預防錯位和變形

鋼結構優化設計中，可以應用預防錯位和變形措施，使得鋼結構可以更好地為建筑工程服務， 實現建筑工程的持續健康發展。 為了避免錯位和變形，需要對不連續部位進行控制，因為這部分容易出現損傷和裂縫， 給鋼結構功能和服務作用帶來影響。 所以，為了保證鋼結構的設計效果，建議加強鋼結構錯位、變形的控制，以此保證鋼結構連續性。 鋼結構焊接過程中，需要經常翻動，這樣可以合理抵消變形，進而保證焊接效果。 另外，進行大尺寸焊縫時，建議選擇分段、分層、間斷焊接的方式，其間需要控制好電流、焊接速度，使最終焊接效果滿足實際需求。 焊接后容易出現主角變形的零部件，建議施工人員在焊接前做好零件預變形處置。例如，鋼板的V 形坡口對接，可在焊接前適當墊高接口，達到焊后變平的效果。 采用手工焊接方法，建議進行間斷焊接，尤其應注意工件中間向兩頭的焊接，需要進行退焊處理，焊接人員保證對稱分散分布，確保焊接工藝滿足要求。 通過上述措施，可以有效控制鋼結構的錯位和變形，確保鋼結構的功能和質量。

另外，鋼結構的設計中，還需注意到鋼結構的連續性，設計人員仔細對比設計圖紙和規范要求。 本工程鋼結構優化與設計過程中，通過預防錯位與變形控制，使鋼結構穩定性得到顯著提升[4]。

3.2 預防應力集中的問題

結合本工程基本情況，鋼結構設計優化，應重點控制預應力集中問題。 預應力集中問題是鋼結構設計中的關鍵問題，關鍵在于確定預應力參數。 但因節點處理不到位，或是制作工藝不合理， 很有可能導致預應力集中的情況， 甚至造成結構損壞。 對于此，建議采取如下防御措施：第一，受彎曲的梁翼板邊緣不能有缺口和毛刺等，施工時使用模切割法，切割壓縮型的剛斷面，并注意半自動氣切割機切割板材時，應保證板材邊緣具有較好的平整性和圓潤性；第二，應力集中預防需要采取表面強化的方法，例如，使用表面噴丸、滾壓和氮化等措施，提高材料表面抗疲勞強度，達到預防應力集中的目的；第三，提高應力區的應力，尤其是低應力區的缺口、圓孔，確保低應力區向高應力區實現應力的平穩過渡。

3.3 預防脆性斷裂的問題

脆性斷裂問題不能得到合理控制， 將造成鋼結構脆性斷裂，產生十分嚴重的后果。 控制脆性斷裂的過程中，施工人員需要重點保證選材與結構設計的合理性，還要對焊接缺陷進行控制，使鋼結構的可靠性得到提升。 焊接過后，施工人員分析氣候因素，合理利用低氫焊條，避免應力集中現象。 當焊接完成后，施工人員需要科學進行消氫處理，有效預防脆性斷裂問題。

3.4 預防層狀撕裂問題的預防

為了實現對鋼結構的優化設計， 需要有效預防層狀撕裂問題。 鋼材層狀撕裂，也可稱之為夾灰，情節嚴重將會影響鋼材的強度，不利于鋼材功能和作用的體現。 所以，針對層狀撕裂問題的預防，需要選擇合適的坡口，且在焊接處理之前，采取超聲波探傷檢查方法，避免出現分層或裂紋。 另外，施工人員還可以采用低氫焊條，預防、解決層狀撕裂問題[5]。

3.5 殘余應力的合理控制

鋼結構優化設計必須結合實際，合理控制殘余應力。 因為殘余應力可能影響到鋼結構的剛度性能，所以在控制中，建議施工人員重點分析焊件薄弱的點位，避免出現裂縫。 例如，部分弧形構件的加工尺寸不合理，或是在組裝環節使用油泵、千斤頂等工具裝配，面臨焊接電流過大的狀況，也會影響焊接效果，繼而造成殘余應力。 總結處理方法，建議采用熱處理法和加載法。 為了保證殘余應力控制的合理性， 還可以選擇回火法，有利于優化鋼結構性能。

4 結語

寧夏興墾牧業有限公司第二奶牛場建設項目按照鋼結構情況，提出了改進與優化的建議，經過改進的建筑鋼結構穩定性得到提升，可有效延長其使用期限。

根據當地建筑鋼結構施工建設要求制訂改造優化方案，分別提出構件、節點、建筑材料的要求，即加大翼緣厚度、腹板厚度、截面高度等，方法滿足計算結果，加強鋼結構控制，應用“自發自用，余電上網”模式，延長鋼結構使用壽命。

通過此次研究，按照既有建筑物鋼結構優化設計要求，理論聯系實際，切實減少了建設投資，滿足了奶牛場項目的使用功能。