冶金工程师评职论文浅谈轻钢结构优化设计

　　摘 要：从结构体系的布置、构件的截面、节点形式等方面对钢结构住宅进行优化设计。用概念设计进行结构体系的优化。对构件的截面、节点形式的优化设计利用多维约束非线性规划方法建立数学模型并进行优化，获得构件的最优截面尺寸。使钢结构住宅优化设计做到缩短设计周期、节省人力、降低成本、提高设计质量和水平的目的。最终取得显著的经济效益和社会效益，从而促进钢结构住宅产业化在中国的快速发展。

　　关键词：钢结构住宅,结构优化,核心论文发表

　　1 轻钢结构住宅面临的问题

　　1.1 整个社会对这种新住宅体系的接受需要一个过程

　　轻钢结构住宅体系是在国外尤其是北美地区木结构住宅的基础上发展起来的，这两种体系虽然在国外已经十分成熟和完善，但是对于我国来说却完全是新东西，要使以适应了砖混或钢筋混凝土结构的住宅消费者，从接受到逐步喜欢轻钢结构住宅，需要一个渐进的过程。

　　1.2 缺少实用性人才

　　在人员方面，由于国内建筑类专业针对钢结构住宅的工程技术人员相对较少，设计院的设计人员通常根据经验设计，不能保证设计是最优的设计方案。对于施工单位，由于钢结构住宅的施工对施工人员的技术性要求更高，很难保证施工质量。所以真正推行起来还缺乏大量实用性人才。

　　2 轻钢结构优化设计

　　轻钢结构住宅主要从其结构体系的布置、构件的截面选择、不同节点形式等方面进行优化设计。

　　2.1 轻钢结构住宅结构体系的布置

　　1 轻钢结构住宅的结构形式主要有框架、框架-中心支撑、框架-偏心支撑、筒体和巨型结构。表一为《建筑抗震设计规范 GB 50010-2010》规定的各种结构形式的钢结构房屋适用的最大高度。

　　在设计过程中选用何种体系，应该综合考虑多方面的因素。例如突出钢结构优势的大柱网和适应现代人生活需要的大开间、易改变的布置因素。为了使结构经济合理，多层钢结构住宅对结构布置有以下要求。当然这些要求不是绝对的，而是在一定条件下会更经济，更合理。

　　(1) 采用矩形平面或由矩形平面单元组成的建筑平面。

　　(2) 框架柱在房屋横向宜成列布置。

　　(3) 将支撑或桁架腹杆设在无孔口的分户墙中。

　　(4) 采用间隔桁架体系时，房屋纵向走廊宜设置在横向桁架的中部。

　　2 钢架-支撑结构

　　中心支撑属于受拉支撑，偏心支撑属于受压支撑，规范对长细比及板件宽厚比的规定使中心支撑较经济，但偏心支撑具有在弹性阶段刚度接近中心支撑框架，在弹塑性阶段的延性和消能能力接近于延性框架的特点，是一种良好的抗震结构。根据《建筑抗震设计规范 GB 50010-2010》的规定：

　　(1) 一、二级的钢结构房屋，宜设置偏心支撑。

　　(2) 三、四级且高度不大于50m的钢结构宜采用中心支撑，也可采用偏心支撑。

　　(3) 中心支撑框架宜采用交叉支撑，也可采用人字支撑或单斜杆支撑，不宜采用K形支撑;支撑的轴线宜交汇于梁柱构件轴线的交点，偏离交点时的偏心距不应超过支撑杆件宽度，并应计入由此产生的附加弯矩。当中心支撑采用只能受拉的单斜杆体系时，应同时设置不同倾斜方向的两组斜杆，且每组中不同方向单斜杆的截面面积在水平方向的投影面积之差不应大于10%。

　　(4) 偏心支撑框架的每根支撑应至少有一端与框架梁连接，并在支撑与梁交点和柱之间或同一跨内另一支撑与梁交点之间形成消能梁段。

　　2.2 轻钢结构住宅构件的截面形式

　　1 钢结构住宅的梁截面一般采用焊接或轧制H型钢，当为组合楼盖时可采用钢-钢筋混凝土组合梁。钢-钢筋混凝土组合梁的优点：

　　(1) 混凝土造价低、抗压强度高、刚度大，作为板的受压区;钢材受拉性能好，放在受拉区，代替受拉纵筋。从而使两种材料合理受力，发挥各自的优点。承载力相同时，比非组合梁节约钢材达15%-25%。

　　(2) 混凝土板参与梁的工作，梁刚度增大。用于高层建筑，不仅降低层高，且显著减轻地基荷载。

　　(3) 避免了钢结构容易发生整体失稳的弱点。在符合一定的条件下，组合梁的整体稳定可以不必验算。

　　2 钢结构住宅的柱主要采用钢管混凝土柱，其受力性能优越，优点如下：

　　(1) 重量轻、承载力高、塑性好、耐疲劳、耐冲击。

　　(2) 可以采用高强混凝土，三向应力避免了核心高强混凝土的脆性破坏。

　　(3) 延性好，抗震性能好。

　　(4) 钢管本身可作为浇筑混凝土的模板，不需支模、钢筋制作与安装，简化施工。

　　3 一些研究者利用数学规划法，针对钢结构的构件截面建立优化数学模型，并已取得有效可行的方案。如利用遗传算法对钢结构截面优化设计问题进行求解，并在此基础上建立了钢结构截面优化数学模型库，对各种钢结构截面进行优化设计。

　　2.3 轻钢结构住宅节点设计

　　轻钢结构体系当中，节点的设计和构件的设计具有同等的重要性，因此必须给予成分的重视。刚结构的节点设计包括梁—柱节点、梁—梁节点、柱—柱节点、柱脚节点，柱帽节点等等。设计时应确保节点的安全可靠，并尽量采用简介、稳定、可靠的施工工艺，减少或避免现场的焊缝连接。节点的形式按传力特性大体可以分为三类：铰节点、半钢性节点、钢性节点。通过对各种节点形式计算分析并对刚接性能做了评价，最终确定一种最优节点形式。

　　结构优化设计是所有参与的量部分以变量出现，在满足规范和规定的前提下，形成全部可能的结构设计方案域，按照相应的优化方法建立数学模型，按设计者预定的要求，从域中选出一个不但可行且最好的设计方案。针对钢结构的结构体系的布置、构件的截面、节点形式等方面均可按照此方法进行优化设计。

　　3 钢结构住宅的优势及发展前景

　　建设节能省地型住宅是中国住宅未来的发展趋势，而发展钢结构住宅建筑则是解决高能耗建筑的一条行之有效的途径。轻质高强，容易实现大跨度与复杂几何结构。建筑布置灵活，抗震性能优良。模数化设计、标准图构件、工厂化生产、装配式施工、精度高、质量容易保证。截面小，建筑面积中结构占用比例小，使用率高。

　　3.1 经济性能的优越性

　　钢结构住宅结构自重轻，降低基础造价，强度高，相应梁柱的截面小，使用率可提高5%-7%。施工速度快，可缩短工期40%。楼层净空增大，提高居住的舒适度。

　　3.2 环保方面的优越性

　　现阶段能达到65%的节能要求;钢结构住宅建造过程中的CO2排放量较传统住宅建筑降低20%-40%;主体结构可100%循环利用、节约资源、避免大量建筑垃圾对环境的污染;施工湿作业少，减少粉尘、噪声污染，节约水资源，改善环境。

　　3.3 钢结构住宅在国内的发展

　　近几年来，在北京、上海、天津、山东、沈阳、鞍山、武汉、南京等地建成一批钢结构住宅示范试点工程，使钢结构住宅稳步健康地发展。据资料显示：2002年3月，一座高达18层、采用H型钢建造的钢结构住宅楼在安徽省马鞍山市动工建设。它是我国住宅产业从钢筋混凝土跨进钢结构模式的重要标志。上海同时有6幢钢结构高层住宅在建设，最终他们将建到100米、34层，这在国内还是首次。2002年9月开盘的北京金宸公寓，填补了国内高层住宅钢结构体系建筑的空白，同时也标志着我国住宅的开发和建设已步入了全新的钢结构住宅体系时代

　　4 结论

　　(1) 本文根据规范和概念设计，对钢结构住宅提出比较经济合理的布置形式，经分析高层钢结构住宅宜采用偏心支撑框架的结构形式。

　　(2)钢结构住宅宜采用钢-混凝土组合梁和钢管混凝土柱。

　　(3)钢结构住宅的优化设计可用数学规划法，对结构体系的布置、构件的截面、节点形式建立优化数学模型，能高效、快速的得到最优方案。

　　(4)随着我国经济的发展，钢结构住宅会越来越多，使钢结构住宅优化设计做到缩短设计周期，节省人力，提高设计质量和水平，最终取得显著的经济效益和社会效益，从而促进钢结构住宅产业化在中国的快速发展。

　　参考文献：

　　[1] GB 50010-2010 建筑抗震设计规范[s]. 北京 中国建筑工业出版社

　　[2] GB 50017-2003 钢结构设计规范 [s] 北京 中国计划出版社.

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