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    鋼網架結構優化設計的方法

    文章出處:三維鋼構 人氣:發表時間:2019-06-15
      空間鋼網架結構作為一種建筑造型美觀,經濟指標優良的結構形式,已被廣泛應用于工業及民用建筑領域。傳統鋼網架結構的設計不能達到結構材料用量最少、受力最合理的目的,因此進行網架結構的優化設計非常必要。
      
      網架結構是中國空間結構中發展最快,應用最為廣泛的結構形式。網架結構的主要特點有:空間工作,傳力途徑簡捷,重量輕,剛度大,抗震性能好,施工安裝簡便,網架桿件和節點便于定型化、商品化、可在工廠中成批生產,有利于提高生產效率,網架的平面布置靈活,屋蓋平整,有利于吊頂,安裝管道和設備,網架的建筑造型輕巧美觀,便于建筑處理和裝飾。
      網架結構優化設計
      傳統鋼網架結構設計的基本方式為:首先設計規劃、選定網架形式及其使用的材料,再根據同類結構以往經驗,假設網格尺寸、網架高度以及桿件截面形狀與截面面積等,并在此基礎上進行結構分析,然后驗算整個網架結構及其組成構件是否滿足強度、剛度和穩定性設計要求等。但假若我們發現計算的截面和假定的截面有很大不不同,那就必須要重新來過。在按照傳統設計方法對鋼網架結構進行設計的時候,一般會經過一個很繁雜且不連續的設計過程,沒有達到結構設計最優的目的。顯然,為了降低網架結構的工程造價,可以采用優化設計的方法來減少結構用鋼量,另外,在一定程度上也可以對結構的受力合理性進行優化分析。
      
      二、鋼網架結構設計方法
      
      1. 網架結構桿件設計
      
      一般工程中大多數網架結構所采用的材料均為鋼材,采用Q235和Q345鋼居多,這兩種鋼材的優勢在于:鋼材力學性能、焊接性能都很好,材質也相對比較穩定。桿件具有很多的截面形式,但這其中主要以空腹載面是最好的,如圓鋼管,方鋼管,這兩種截面各向慣性矩均大,對受力有利,此外空腹截面封閉后內部不易腐蝕,表面也難以積灰和積水,具有較好的防腐性能。
      
      2. 網架結構節點構造的設計
      
      網架結構的節點是連接交匯桿件、傳遞荷載的重要環節,進行合理的節點設計對網架結構的安全性能、制作安裝、工程進度和工程造價都有著極其重要且直接的影響。網架結構的節點分為內部節點和支座節點兩大類,其設計和構造都應該遵循受力合理、傳力明確可靠、構造簡單、制作安裝方便等規定,網架結構節點分為幾大類,分別是焊接鋼板節點、焊接空心球節點、螺栓球節點、直接相貫節點及焊接鋼管節點。
      
      支座節點是網架將荷載傳遞給下部結構的連接件,是支承結構上的網架節點,我們在針對網架進行內力分析的時候,都要對支座節點加設一定的約束,這些約束一般可以分為可動鉸支承,不動球鉸支承和不動圓柱鉸支承三大類。焊接空心球節點是我國較早應用的節點之一。它可以是不加肋的空心球,也可以是加肋空心球,兩個半球的焊接以及兩個半球與加肋圓環焊接構造。螺栓球節點可以說是我國應用最為廣泛的節點形式,它由鋼球、螺栓、套筒、銷子和錐頭或封板組成,適用于鋼管連接。
      
      3. 網架結構設計注意事項
      
      網架結構設計有一些注意事項需要我們認真了解。我們要注意制作工藝的可行性,力求安裝的方便,還要關注網架的單位含鋼量。從細節上來說,這包括支座的安裝難易以及網架錐體的桿件的大小。如網架工程中如采用上弦球作支點并同時用肋板式支座,可能發生網架腹桿套筒與支座肋板空間沖突。所以,在網架設計、制作和安裝的過程中,我們應注意根據實際情況,采取切實有效的措施, 既保證結構強度在求,又便于施工,保證工程進度。
      
      三、網架結構的優化設計
      
      對鋼網架結構的優化設計,主要包括網架類型優化、網架跨度優化及網架高度優化。不同網架類型在同樣跨度、厚度和網格尺寸以及約束條件下,所得到的用鋼量也不相同。當采用正放四角錐網架、斜放四角錐網架、抽空四角錐網架和棋盤四角錐網架4種平板網架類型時,用鋼量較低,為網架結構設計時比較理想的結構類型。網架跨度大小直接影響最優網架厚度和網格尺寸的選擇。隨著網架平面尺寸的增大,網架結構的最優厚度和最優網格大小呈增大趨勢。遺傳算法優化網架結構高度,適用于不同的邊界條件、不同支撐方式以及承受不同荷載的網格結構能夠進行全局尋優,避免結果陷入局部最優解能夠節約用鋼量,結果可靠,可用于實際工程中。
      網架結構設計圖紙
      網架優化設計時,可以利用一系列的優化設計方法,如準則方法、數學規劃法和系統迭代優化設計方等法。這些優化設計方法均是以網架結構的重要特征參數作為優化變量,以結構用鋼量大小和受力特性的組合作為目標函數進行的優化迭代過程。具體來看,準則方法從結構力學原理出發建立一些最優準則以尋求用解析形式表示的結構設計的參數,或者通過直觀的迭代運算決定結構各單元的截面參數。而數學規劃方法是從解極值問題的數學原理出發,運用數學規劃中的各種方法,求得一系列設計參數的最優解。系統迭代優化設計方法首先對結構進行有限元分析,獲得各部分構件的內力。并依此內力作為條件分別對各部分構件進行局部優化設計,得到本輪次的構件;在下一個輪次時,將上一輪次得到的構件重新形成新的網架,對新的網架進行有限元分析,判斷其最大撓度是否滿足規范要求。
      
      需要注意的是,優化設計的結果只是數值計算的結果,由于優化時優化參數、優化目標函數及計算程序能力的限制,不可能讓優化設計做到完美無瑕,還必須結合網架結構的設計和構造經驗對優化結果進行調整,使得設計結果更貼切經驗和實際。
      
      總之,空間鋼網架結構作為一種建筑造型美觀,經濟指標優良的結構形式,已被廣泛應用于工業及民用建筑領域的,給網架結構的發展帶來了極大的市場。隨著網架優化設計方法的實施,網架的經濟型和受力合理性將得到最大的體現。
    此文關鍵字:鋼網架,網架設計
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