探讨普通钢结构的优化设计

马中建

（中建二局安装工程有限公司廊坊钢结构分公司　065000）

探讨普通钢结构的优化设计

马中建

（中建二局安装工程有限公司廊坊钢结构分公司065000）

在我国社会经济不断发展的情况下，钢结构在我国民用建筑与工业建筑中得到了越来越广泛的运用，同时，人们对于钢结构设计质量的要求也越来越高。因此在钢结构设计中，设计人员应特别注重钢结构的整体优化设计。科学、合理的钢结构优化设计，不仅可以在很大程度上控制施工的工程造价，而且还可为具体的施工作业奠定坚实的基础。本文主要对钢结构优化设计的现状进行详细阐述，并在此基础上提出解决钢结构优化设计的策略，以便进一步提升我国民用建筑与工业建筑的质量。

普通；钢结构；优化设计

无论是在民用建筑中还是工业建筑中，对于钢结构的要求不仅要有较高的强度以及建筑布局灵活，而且钢结构自身的重量不易过重，还应有良好的抗震性能，并且在具体的工程应用中，应具有较好的隔音、与保温效果。对钢结构进行优化设计，就是在原有的基础上对其优点进行进一步提升，以便其更好满足民用建筑与工业建筑的施工要求，使我国工程建筑向几乎完美的方向发展。此外钢结构作为一种具备“环保、节能、工厂化”的新型结构体系，在我国目前的建筑使用中得到迅速的发展。

1　钢结构优化设计概述

1.1钢结构的特点

以钢结构为主要承重体系的工程结构称为钢结构。钢结构特点如下所示：①材料强度高、结构重量轻；②钢结构工作的可靠性高；③塑性性能好；④具有良好的韧性，适宜于承受动荷载；⑤具有良好的加工性能与焊接性能；⑥密闭性好适用于高压容器、管道、大型油罐等；⑦便于拆装、重复使用。

1.2钢结构设计的基本过程

（1）结构方案：结构体系、材料、构建布置。

（2）荷载计算：恒、活、风、雪、吊车、地震等。

（3）荷载组合：恒+活、恒+活+风、恒+活+地震等，地震和风作用的方向，吊车不同的位置。

（4）内力分析：截面估算、结构力学、弹性分析、变形计算。

（5）结构设计：验算两种极限状态、优化设计。

（6）构造要求：考虑制作和安装问题、考虑不可计算因素。

（7）施工详图：保证制作和安装需求。深化详图一般运用Tekla软件。节点设计很关键。节点设计既要接近实际工况，又要方便加工单位焊接操作和现场安装便捷。

1.3钢结构优化设计的必要性

（1）我国建筑工程速度要求，需要大量采用钢结构。其主要原因是因为钢结构施工工期短。

（2）追求低强度劳动和好的工作环境，促使大量采用钢结构。钢结构工厂化生产，易于产业化，机械化程度高。

（3）钢结构是可持续发展的结构。钢结构工厂制作，现场组装，对周围环境污染小。钢结构容易拆除，钢材可回收利用，负荷可持续发展要求。

（4）政策支持为钢结构发展提供了国家保证。由限制使用→合理使用→推广使用→积极推广使用，国家十大推广技术中钢结构专利。

2　钢结构优化设计的现状

2.1优秀的设计人才匮乏

从我国目前钢结构优化设计的情况来看，多数钢结构设计人员缺乏丰富的实践应验，并且对钢结构理论知识掌握不够透彻。多数设计人员依靠软件的自身设计，没有根据具体的实际需求有针对性的进行钢结构设计，对一些精细部位的设计缺乏亲身实践，无法确保钢结构设计的合理性，加之杆件截面尺寸的选择不合理，容易造成整体结构中各杆件应力不均，致使设计出的钢结构与实际需求不相符或缺少协调性。

2.2对于市场材料的行情缺少有效分析

由于一些钢结构设计单位缺少对市场行情的调研，所以无法了解钢材的市场行情以及质量的现状，这些因素都会对后续的施工情况产生影响。从目前钢结构的生产情况来看，部分钢结构企业，过于追求设计成本，降低钢的使用量，使实际生产偏离设计规划，这样不仅会给建筑的安全系数埋下隐患，同时也导致钢结构承载力无法与实际情况相符合。因此在钢结构设计中，设计人员应深入钢材市场，依据实际情况，设计出合理、能够确保施工安全的钢结构。

3　钢结构优化设计的思路

3.1优秀团队的建立

一个良好的团队，应有创新精神，思路清晰。能接受新工艺，新技术。既能熟悉规范规程，又能提出自己独特的见解。

3.2建立三维整体模型

在钢结构优化设计中，利用设计软件，根据原钢结构设计图纸，对钢结构当中框架的各个杆件结构按照剖面、立面、平面建立结构三维模型，其比例为1：1。连接节点可以待结构优化验算确定截面规格及尺寸后，再验算连接板与螺栓规格、数量[1]。三维结构能提供设计人员整体造型结构，更易满足实际情况。

3.3设置设计条件

选择要优化的杆件截面，输入要控制应力与容许应力的比值限制。放宽“极限验算比”的下限，可能会搜索到更为满意的截面。选取截面分组情况需由工程师根据建筑要求、杆件受力情况，结构特点等多方面进行考虑。杆件截面分组越多，优化设计带来的收益越大。以便设计出的钢结构能够在正常的使用中具有良好的工作性能和耐久性能，在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性，不致出现倒塌现象。

3.4钢结构截面的选择

按照钢结构截面的不同，在选择截面的时候，选择方向也有所不同。例如：钢柱单层可选变截面柱，非标制作。屋梁架一般都选择分段变截面梁；选择平台梁时，一般重点选择高频焊H型钢等[3]。

按柱截面类型不同又可分两类：

（1）实腹式柱。这种柱子不仅构造简单而且施工方便，但是耗钢量大。通常情况下用于截面高度较小或者厂房高跨框架的门式刚架等，一些轻型的厂房柱。除此之外，考虑到柱与屋架的连接以及柱和托架之间的连接构造时的要求，往往会使用实腹式柱。实腹式柱一般优先采用型钢，它不仅在制作流程方面很简单，并且建造的质量可以得到很好的保障。

（2）格构式柱。格构式柱一般用在截面高度较大的情况当中，当柱承受较大弯矩作用时，为了能够使材料得到科学合理的应用，设计人员就会采用格构式组合截面。结构优化时选取截面分组情况需由工程师根据建筑要求、杆件受力情况，结构特点等多方面进行考虑。杆件截面分组越多，优化设计的收益越大。

4　结论

综上所述，钢结构具有重量轻、结构抗震性好以及施工快等优点，所以在进行工程施工时，应注重对钢结构的优化设计和施工过程中技术的加强，设计人员应不断的进行自我学习，学习国外先进的工程设计理念以及新的设计软件，从最优化设计入手，提高设计水平，吸取适合我国国情的设计方法，这样不仅可以降低企业在成本支出，还可以更好的完成建筑施工作业，从而确保工程建筑的整体质量。

[1]王恩华.建筑钢结构工程施工技术与质量控制[J].北京机械工业，2013，22（8）：12～16.

[2]施钢，范浩，王元清，石永久，李明.某重型门式钢架钢结构厂房的优化设计[J].建筑工程，2012，23（14）：16～20.

[3]孙凯，程鹏飞，彭聪.基于SNSYS对工业厂房变截面排架移位计算[J]. 2012，33（16）：37～40.

TU391

A

1673-0038（2015）28-0009-02

2015-6-19