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轻型钢结构门式钢架的截面优化设计


  一、概述
  
  轻型钢结构门式钢架在工业厂房、公路(铁路)库、仓库、飞机库、集贸市场、体育场馆、航空港、商业建筑中越来越得到人们的青睐。轻型钢结构的“轻”有两个含义,一是采用轻型材料,二是钢材消耗量低。在门式钢架中,采用轻型焊接变截面工形柱和分段变截面工形梁并利用腹板屈曲后强度,是降低其用钢量的有效措施,但这就使得结构分析和构件计算变得复杂化。因此,研究和开发轻钢结构计算机分析、优化设计、性能评估和绘图系统,必将对轻钢结构的进一步发展起到非常大的促进作用。目前,PKPM系列软件的STS模块已经能进行轻型钢结构门式钢架的分析计算、截面优化设计、节点设计和施工图绘制。本文论述了其轻型钢结构门式钢架的截面优化方法以及软件的功能和应用。
  
  二、门式钢架截面优化方法
  
  截面优化的实现方法有二种。一是用最优化理论来解决,把问题归结为一个单目标规划问题,优化的目标函数是用钢量最少或造价最低,各种设计条件如结构反应(应力、位移等)的允许范围等都可作为约束条件,用数学规划的理论来寻求最优解或最满意解。另一种方法是穷举法,即把各种合理的构件截面形式都进行计算比较,在满足设计要求的情况下,以用钢量最少或造价最低为控制条件,得到满意的截面尺寸。
  
  门式钢架常采用变化构件的截面来适应弯矩变化以达到节约钢材的目的。除腹板高度变化外,厚度也可根据需要变化;上下翼缘可用不同截面;相邻单元的翼缘也可采用不同截面。因此,影响整个钢架用钢量的因素有上翼缘的宽度、厚度;下翼缘的宽度、厚度;腹板的厚度;构件大头、小头的高度;而且这些因素之间也互相影响,互相不独立。工程设计从形式上看,是一种基于严格的力学和数学法则的精确运算过程;实际上,结构设计中起重要作用的并不是那些运算方法和数学处理,而是一系列难以用精确的计算解决的,具有主观色彩的决策问题,所以,完全用最优化理论来实现截面优化设计有一定的复杂性,还需要进一步的理论研究。另外,用穷举法解决截面优化问题时,多因素决定了计算次数随构件数增加而呈指数关系增加,故当钢架构件较多时,要花费很长的计算时间。当设计者确定了结构形式后,截面优化比较简单易行的方法是按照构件的内力来调整截面尺寸,经过试算确定重量最小的截面。这种方法不但计算次数少,而且可以人工干预截面优化范围,快速的得到比较理想的截面尺寸。
  
  三、门式钢架截面优化设计软件的功能
  
  (一).软件功能PKPM系列软件"特种结构"模块的STS-2主菜单3为"门式钢架截面优化设计",该菜单是在主菜单A"PK交互输入与修改"和主菜单1"PK数据检查"后执行,以PK建模中的截面数据为初始值,按照强度,稳定及变形限值,自动或人工确定截面优化范围,进行优化计算,最后得到用钢量最小的截面。
  
  (二).操作方法
  
  1.定义设计限值定义强度、稳定及变形限值。
  
  2.确定优化范围有两种方式:"自动定义"和"人工定义";这两种方式可分别单独执行,也可配合进行。自动定义时程序根据初始截面计算的应力得出一个截面优化范围,这个范围可以直接用于计算。在自动定义后,若再选择人工定义,程序就把自动定义的优化范围显示出来,这时设计者可以根据自己的要求对程序自动定义的范围进行人工修改。也可以一开始就用人工定义方式。程序对人工定义的范围进行校核,当这个范围不合理时(最小截面满足或最大截面不够),程序会给出提示,直到优化范围合理。
  
  3.进行截面优化进行截面优化计算。
  
  4.查看优化结果有以下子菜单:
  
  (1)结果文件输出设计限值,初始截面参数及其计算出的强度、稳定、变形结果,总重量。输出优化后的截面参数,强度、稳定、变形计算结果,总重量。
  
  (2)截面显示图形输出优化后的截面参数。
  
  (3)应力显示图形输出强度、稳定计算结果。
  
  (4)局部放大以上菜单依次执行后,程序给出优化后重量最小的截面,用户可参考这些截面信息,返回PK人机交互输入与修改主菜单,修改原有截面参数并做适当调整,然后执行数据检查,接力PK结构计算和门式钢架绘图。
  
  注:截面优化是按照PK人机交互建模时的标准截面为初始值进行计算的,截面调整时,也是调整标准截面,所以当不同构件用同一个标准截面时,优化结果可能比较差;建议当需要优化时,在PK人机交互建模时对于不同构件应尽量定义不同的标准截面。