吴露　王庭伟

摘 要：钢结构从业人员随着我国建筑钢结构行业的飞速发展而面临重大挑战和机遇。本文就从结构体系的选择和创新、计算分析和校核调整、节点优化等方面，对钢结构优化设计的基本方法进行了介绍，并且进一步对综合考虑计算理论、制造技术水平和施工条件等因素强调，从而使合理的设计方案得到确定。

关键词：钢结构；设计；优化；计算分析

结构的优化设计是要在满足各种规范和特定的结构性能目标的条件下，使结构的成本-效益达到最佳平衡。结构优化设计不是为了降低造价而减小构件截面，而是要根据建筑所处位置、地质条件、气候条件、周边建筑布局、使用用途、外形和结构形式、制造技术水平、现场施工条件等因素，综合考虑后，对设计方案进行合理性修改。

1 结构体系的选择和创新

1.1 结构概念设计。结构概念设计是综合运用设计概念，将结构方案从整体到局部、从抽象到具体、从粗略到详细不断优化和细化的过程。概念设计有助于工程师快速确定设计原则和设计方案的薄弱点，且概念设计贯穿结构设计的全过程，对结构布置、体系选择、整体计算、构件设计和节点设计等起到指导作用。

1.2 结构体系的创新。钢结构优化设计不应将目标局限在构件优化层面，如果时间和项目实际进展情况允许，也可对项目的结构体系进行合理创新。结构体系不仅要传力简明、受力合理、充分发挥材料特性等，还应考虑建筑功能、用途等外在因素，全面权衡后选取较佳的体系方案。以某项目为例，其建筑剖面为半圆形的双曲造型，建筑功能为海洋游艺为主题的大型公共建筑。初设方案优点：屋盖整体刚度较大，结构构架规整，传力路径简单、明确；缺点：次桁架较密，加上檩条系统，屋盖结构杆件数量多，对于玻璃屋面而言不美观，且通透性差。最终实施方案优点：单层网壳斜交屋檩体系直接可作为玻璃屋面的支撑结构，外形统一，尺寸相近，建筑效果较佳；屋盖整体刚度大，单层网壳作为主次桁架间的连接结构，主平面内刚度较大，可以为主次桁架上弦提供较强的侧向约束，且屋面荷载可通过网壳斜向传递给主次桁架，局部构件破损后，可通过其他路径传递荷载，对主体结构的防连续倒塌有利；缺点：单层网壳部分平面外刚度差，需采取措施，防止单层网壳平面外失稳；单层网壳矢跨比1/14～1/15，拱壳效应不明显。如上所述，初设方案为常规的空间屋盖结构形式，该结构方案虽然整体刚度较大，但次桁架和屋面檩条系统的杆件过于密集，视觉效果不佳，对于以游艺休闲为主的建筑而言并不是最佳方案。优化后的最终实施方案整体承载力高、刚度大。单层网壳屋檩体系作为屋盖玻璃的支撑结构，其网格分布均匀、规律、通透性好，视觉效果较佳。一般条件下，因为工期限制、钢结构招标前基础已施工等原因，很难对结构体系进行大的调整，这种情况下，可以考虑对局部构件的体系构成进行优化。经计算分析，因为工期的缘故，不能选择主结构吊装完成卸载后，再施工檩条托桁架的施工顺序。而檩条托桁架随主结构一起吊装施工，最后卸载，则会在檩条托桁架中产生较大的施工附加内力，部分构件应力比超标，且因为檩条托桁架采用薄壁型钢制作而成，结构形式复杂，加工周期较长，不能满足现场施工的需要。

2 计算分析和校核调整

2.1 计算分析方法和工具的选择。一般而言，门式钢架结构，如单层轻钢厂房等，因檩条、屋面结构水平方向刚度较小，对相邻钢架的约束作用较弱，故可采取单榀钢架计算分析的方法进行设计，但对于双向受力结构，必须整体建模，采用大型有限元设计软件计算分析。必要时，还需要采用多种软件进行对比。

2.2 合理的边界约束条件。优化设计时，应根据结构计算结果和结构受力特性，对结构的边界条件进行合理调整。例如一个大跨度双向受力体系，结构水平刚度较大、对温度作用比较敏感时，可沿长度方向适当设置温度缝或节点构造采用可滑移构造等，通过减小结构单向刚度或水平自由度释放，降低结构杆件应力水平。设计阶段，尚应根据边界处的设计条件，如基础大小、配筋多少等，合理选择计算锚固点的位置和边界类型（如刚接、铰接等）。

2.3 结构刚度的合理简化。结构优化设计时，不仅要考虑外部荷载作用对结构的影响，还要考虑结构构件之间相对刚度的差异对内力分配、结构变形等产生的作用。以混凝土柱-钢屋盖结构为例，钢结构屋盖在设计时必须考虑下部混凝土结构的刚度作用，建立整装模型，或仅包含局部混凝土结构（如下部楼层上方的混凝土柱）的整装模型进行计算分析。

2.4 合理选择材料材质。不同牌号的钢材其设计强度不同，构件长细比计算方法也不同。在优化设计时，可根据构件受力特性进行合理选择，如应力水平较高的构件，可选用设计强度较大的材料，应力水平较低、稳定控制为主的构件，则可选用设计强度较小的材料。如为了提高构件的材料利用率水平，对于常规的桁架结构，弦杆可采用Q345钢材，而腹杆采用Q235钢材。此外，还应根据项目所在地的气候条件和项目类型、构件形式、应力水平和尺寸等，选择材料的牌号和质量级别。

3 节点优化设计

3.1 特殊节点的选择。抗震设防烈度较高的地区，或大跨度、复杂体系的结构，可采用成品抗震球铰支座，提高结构的抗震性能，避免大震作用下发生破坏。支座节点还可以选用单向滑动支座、双向滑动支座、隔震支座等类型，降低各种荷载及作用在结构杆件内产生的应力，增强结构隔振耗能性能。对于一些多杆件、小角度相交节点，及构造复杂的异形节点，使用钢板或型材焊接时存在操作不便、无法保证加工质量，或存在焊接残余应力较大很难消除时，可以考虑使用铸钢节点代替。

3.2 合理优化节点质量要求和节点构造。在当前国内建筑钢结构向高、大、难、异方向发展的条件下，各种复杂、大型、异形节点方案层出不穷。设计人员在设计节点时，因为对工厂制作工艺和行业技术水平的不了解，设计作品往往将焊接要求大幅度提高，如某项目设计说明中规定，除角焊缝外，其他剖口焊缝均要求为全熔透一级焊缝。这种设定一来并无必要且不合理，二来因为施焊角度、施焊空间、部位等因素影响，加工厂经常无法达到该要求。

3.3 控制节点尺寸。除出口项目外，钢结构运输以公路运输为主，而我国公路运输一般对货物总宽度、高度有一定要求，如《浙江省公路路政管理条例》规定，正常运输条件下，车货总宽度不超过2.5m，车货总高度从地面算起不超过4m，如有超出则处于超限运输，需向行政主管部门提出申请，核发通行证后，方能按照指定的时间、路线、时速运输。超限运输效率较低，且费用较高，故在钢结构优化设计时，在不影响节点受力和施工作业的前提下，可将节点尺寸控制在规定的运输尺寸以内。

4 结语

钢结构优化设计不是为了降低造价而优化，而是要结合概念和软件等手段，从设定合理的结构性能目标、结构体系的选择和创新、计算分析和校核调整、节点优化设计等方面，综合考虑结构重要性和用途、受力性能、气候条件、加工制作技术水平和现场施工条件等因素，对设计方案进行合理性调整。钢结构从业人员应综合学习设计、制作、安装领域的知识，力争设计出更合理、优异的作品。

参考文献

[1] 中国建筑科学研究院.GB50068—2001建筑结构可靠度设计统一标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.