門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討
摘要：門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)相比，在理論方面還不是很完善，還有較大的發(fā)掘空間，對(duì)門(mén)式剛架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的課題由此提出。本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)能合理利用材料的性能，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，并具有規(guī)范所規(guī)定的安全度。同時(shí)，它還可以為整體性方案進(jìn)行合理的決策，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)最終目標(biāo)—安全、適用和經(jīng)濟(jì)的最有效的途徑。
關(guān)鍵詞：門(mén)式剛架；參數(shù)分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)；半剛性
一、門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)體系是由剛架、屋蓋、圍護(hù)體系、及相應(yīng)的支撐所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系。最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)體系中，一般由實(shí)腹式焊接日型鋼組成的門(mén)式剛架作為承重結(jié)構(gòu)。而圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括型鋼檁條以及壓型鋼板組成的屋面系統(tǒng)。
門(mén)式剛架與其它形式的建筑結(jié)構(gòu)相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：
(一)構(gòu)件形式經(jīng)濟(jì)合理，結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕。質(zhì)量輕主要是由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料采用的是金屬板與薄壁型鋼，因而門(mén)式剛架的負(fù)荷較小，剛架自重也隨之減輕。而基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是與上部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的，剛架整體變輕了，對(duì)基礎(chǔ)的要求就會(huì)降低，基礎(chǔ)的尺寸可以做小。
�。ǘ┛拐鹦阅芎�。門(mén)式剛架自重輕，地震反應(yīng)較小，很適合在地震多發(fā)地區(qū)中推廣使用。
�。ㄈ┦┕ぶ芷诙�。與其它類型的建筑形式相比，門(mén)式剛架的構(gòu)件是在工廠統(tǒng)一制作好以后運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)再進(jìn)行裝配，而且構(gòu)件的連接方式一般采用螺栓或者焊接，安裝非常迅速。構(gòu)件的制作與施工沒(méi)有沖突，因而可以最大限度的壓縮施工周期。
�。ㄋ模┮子诓疬w。剛架結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比的另一大優(yōu)勢(shì)是拆卸方便，鋼結(jié)構(gòu)只要將構(gòu)件拆散然后搬遷到新的建筑地點(diǎn)重新裝配就可以投入使用，混凝土建筑就不具備這種優(yōu)點(diǎn)。
二、門(mén)式剛架優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究
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本課題所研究的內(nèi)容主要針對(duì)單跨雙坡對(duì)稱形式的門(mén)式剛架。且斜梁腹高沿梁長(zhǎng)是均勻變化的，在建立模型時(shí)需要對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，特提出以下假設(shè)。
1、優(yōu)化變量包含鋼架柱和梁的截面尺寸以及截面變化規(guī)律。
2、優(yōu)化后截面發(fā)生變化，為了保證剛架平面內(nèi)的穩(wěn)定性，應(yīng)保證翼緣板的寬度和厚度，僅改變腹板的高度。
3、門(mén)式剛架柱腳一般采用平板式鉸接柱腳，當(dāng)有橋式吊車或者剛架側(cè)向剛度過(guò)弱時(shí)，則應(yīng)采用剛接柱腳，本文研究的模型是不含吊車的廠房，在荷載組合時(shí)也沒(méi)有考慮到吊車荷載的作用，采用的模型假設(shè)柱底連接為理想鉸接。
4、梁柱節(jié)點(diǎn)考慮為半剛性節(jié)點(diǎn)。在以往的截面優(yōu)化中，往往假設(shè)梁與柱的節(jié)點(diǎn)為剛性連接，但是實(shí)際工程不可能做到完全理想的剛性連接，在此假設(shè)為半剛性并對(duì)節(jié)點(diǎn)施于一定的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度能更好的模擬實(shí)際工程狀況。
5、考慮到門(mén)式剛架設(shè)置了許多平面外支撐體系來(lái)保證結(jié)構(gòu)的平面外穩(wěn)定。所以在建模時(shí)不考慮平面外的穩(wěn)定性，在計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)變形時(shí)，不考慮螺栓引起的截面削弱影響。
�。ǘ﹩卧愋偷拇_定及半剛性節(jié)點(diǎn)模型處理方法
ANSYS軟件就工程性質(zhì)的不同，為結(jié)構(gòu)分析提供了多種不同的單元類型供不同類型的工程分析選擇。通常選擇單元的原則是盡量選用維數(shù)較少的單元而且能盡可能模擬出所分析構(gòu)件的力學(xué)性質(zhì)。所以在ANSYS分析中，單元的選擇具有非常關(guān)鍵的作用，選取的恰當(dāng)與否直接關(guān)系到模型的復(fù)雜程度和分析結(jié)果的精確程度。ANSYS在分析結(jié)構(gòu)問(wèn)題時(shí)，大致將結(jié)構(gòu)劃分為桿系問(wèn)題、梁系問(wèn)題、平面問(wèn)題和板殼問(wèn)題四類。在門(mén)式剛架的分析中，梁、柱分別視為受彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件，所以在考慮單元的選取時(shí)，要考慮彎曲效應(yīng)對(duì)單元的影響。由于剛架的梁、柱處于同一平面，可以考慮采用二維平面梁?jiǎn)卧狟EAM3來(lái)作為分析的基本單元體。
三、門(mén)式剛架幾何參數(shù)優(yōu)化
�。ㄒ唬﹥�(yōu)化方法及基本參數(shù)的確定
采用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000與PKPM中的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊STS，在滿足結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、應(yīng)力比、長(zhǎng)細(xì)比等的要求下，對(duì)前面所述參量進(jìn)行用鋼量的理論分析，當(dāng)然有些參數(shù)的影響是在借鑒前人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行總結(jié)出來(lái)的，根據(jù)建筑要求與綜合指標(biāo)提出合理的初始設(shè)計(jì)參數(shù)。在借助軟件分析總結(jié)時(shí)，設(shè)定的不變量是荷載，即在作用荷載不變的情況下，隨著坡度、柱距、跨度等的變化，用鋼量會(huì)呈現(xiàn)怎樣的變化，具體的實(shí)施方案為先在SAPZ000里面進(jìn)行建模、計(jì)算，定義單元截面時(shí)在單元庫(kù)中添加進(jìn)去待選的工字鋼截面參數(shù)，設(shè)置為自動(dòng)選擇項(xiàng)。
�。ǘ┢露葍�(yōu)化
屋面做成斜屋面主要目的是用來(lái)排水的，所以屋面坡度主要由排水情況來(lái)決定，當(dāng)屋面的坡度改變時(shí)，所引起的內(nèi)力的變化并不大，只是由于坡度的變大而使得斜梁的長(zhǎng)度增大從而導(dǎo)致了主體結(jié)構(gòu)用鋼量的增加。在跨度不變的情況下，屋面坡度越小，用鋼量越省，但是對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利，應(yīng)力接近設(shè)計(jì)強(qiáng)度。當(dāng)屋面坡度變大時(shí)，雖然結(jié)構(gòu)受力性能有所改善，但是由于維護(hù)結(jié)構(gòu)的用鋼量增大，總體結(jié)構(gòu)的用鋼量會(huì)隨之變大。
�。ㄈ┲鄡�(yōu)化
柱距的選擇影響因素很多，涉及到凜條架設(shè)形式、屋面荷載大小及剛架的跨度等等，剛架的柱距不僅影響到剛架主體結(jié)構(gòu)的材料耗費(fèi)量，而且由于柱距與擦條、側(cè)向支撐構(gòu)件聯(lián)系密切，故柱距的選擇也會(huì)影響到這些構(gòu)件的用鋼量。當(dāng)柱距增大的時(shí)候，剛架的用鋼量呈下降趨勢(shì)，擦條等輔助構(gòu)件的用鋼量增加幅度不大，總體態(tài)勢(shì)為減小，但并不是意味著隨著柱距的增大，用鋼量會(huì)無(wú)限制的減小，前面所述之所以整體用鋼量趨勢(shì)是下降，那是因?yàn)檩o助構(gòu)件的增加量并沒(méi)超過(guò)主體剛架的減小量。當(dāng)柱距逐漸增大到一定程度時(shí)，它們之間會(huì)有一個(gè)平衡點(diǎn)，再增大之后用鋼量就會(huì)逐步增加，所以柱距也應(yīng)該存在一個(gè)合理的取值范圍。
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