门式刚架轻钢结构优化设计探讨
摘要：门式刚架结构与传统的建筑结构相比，在理论方面还不是很完善，还有较大的发掘空间，对门式刚架进行优化设计的课题由此提出。本文的优化设计能合理利用材料的性能，使结构内部各单元得到最好的协调，并具有规范所规定的安全度。同时，它还可以为整体性方案进行合理的决策，因此优化设计是实现设计最终目标—安全、适用和经济的最有效的途径。
关键词：门式刚架；参数分析；优化设计；半刚性
一、门式刚架轻型钢结构的特点
门式刚架轻型房屋钢结构体系是由刚架、屋盖、围护体系、及相应的支撑所构成的结构体系。最常见的结构体系中，一般由实腹式焊接日型钢组成的门式刚架作为承重结构。而围护结构主要包括型钢檩条以及压型钢板组成的屋面系统。
门式刚架与其它形式的建筑结构相比，具有以下优势：
(一)构件形式经济合理，结构质量轻。质量轻主要是由于围护结构的材料采用的是金属板与薄壁型钢，因而门式刚架的负荷较小，刚架自重也随之减轻。而基础结构是与上部结构密切相关的，刚架整体变轻了，对基础的要求就会降低，基础的尺寸可以做小。
（二）抗震性能好。门式刚架自重轻，地震反应较小，很适合在地震多发地区中推广使用。
（三）施工周期短。与其它类型的建筑形式相比，门式刚架的构件是在工厂统一制作好以后运送到现场再进行装配，而且构件的连接方式一般采用螺栓或者焊接，安装非常迅速。构件的制作与施工没有冲突，因而可以最大限度的压缩施工周期。
（四）易于拆迁。刚架结构与混凝土结构相比的另一大优势是拆卸方便，钢结构只要将构件拆散然后搬迁到新的建筑地点重新装配就可以投入使用，混凝土建筑就不具备这种优点。
二、门式刚架优化设计方法研究
（一）建模中的假设
本课题所研究的内容主要针对单跨双坡对称形式的门式刚架。且斜梁腹高沿梁长是均匀变化的，在建立模型时需要对实际模型进行简化，特提出以下假设。
1、优化变量包含钢架柱和梁的截面尺寸以及截面变化规律。
2、优化后截面发生变化，为了保证刚架平面内的稳定性，应保证翼缘板的宽度和厚度，仅改变腹板的高度。
3、门式刚架柱脚一般采用平板式铰接柱脚，当有桥式吊车或者刚架侧向刚度过弱时，则应采用刚接柱脚，本文研究的模型是不含吊车的厂房，在荷载组合时也没有考虑到吊车荷载的作用，采用的模型假设柱底连接为理想铰接。
4、梁柱节点考虑为半刚性节点。在以往的截面优化中，往往假设梁与柱的节点为刚性连接，但是实际工程不可能做到完全理想的刚性连接，在此假设为半刚性并对节点施于一定的转动刚度能更好的模拟实际工程状况。
5、考虑到门式刚架设置了许多平面外支撑体系来保证结构的平面外稳定。所以在建模时不考虑平面外的稳定性，在计算钢结构变形时，不考虑螺栓引起的截面削弱影响。
（二）单元类型的确定及半刚性节点模型处理方法
ANSYS软件就工程性质的不同，为结构分析提供了多种不同的单元类型供不同类型的工程分析选择。通常选择单元的原则是尽量选用维数较少的单元而且能尽可能模拟出所分析构件的力学性质。所以在ANSYS分析中，单元的选择具有非常关键的作用，选取的恰当与否直接关系到模型的复杂程度和分析结果的精确程度。ANSYS在分析结构问题时，大致将结构划分为杆系问题、梁系问题、平面问题和板壳问题四类。在门式刚架的分析中，梁、柱分别视为受弯构件和压弯构件，所以在考虑单元的选取时，要考虑弯曲效应对单元的影响。由于刚架的梁、柱处于同一平面，可以考虑采用二维平面梁单元BEAM3来作为分析的基本单元体。
三、门式刚架几何参数优化
（一）优化方法及基本参数的确定
采用结构分析软件SAP2000与PKPM中的钢结构设计模块STS，在满足结构规范对结构强度、应力比、长细比等的要求下，对前面所述参量进行用钢量的理论分析，当然有些参数的影响是在借鉴前人设计的基础之上进行总结出来的，根据建筑要求与综合指标提出合理的初始设计参数。在借助软件分析总结时，设定的不变量是荷载，即在作用荷载不变的情况下，随着坡度、柱距、跨度等的变化，用钢量会呈现怎样的变化，具体的实施方案为先在SAPZ000里面进行建模、计算，定义单元截面时在单元库中添加进去待选的工字钢截面参数，设置为自动选择项。
（二）坡度优化
屋面做成斜屋面主要目的是用来排水的，所以屋面坡度主要由排水情况来决定，当屋面的坡度改变时，所引起的内力的变化并不大，只是由于坡度的变大而使得斜梁的长度增大从而导致了主体结构用钢量的增加。在跨度不变的情况下，屋面坡度越小，用钢量越省，但是对结构受力不利，应力接近设计强度。当屋面坡度变大时，虽然结构受力性能有所改善，但是由于维护结构的用钢量增大，总体结构的用钢量会随之变大。
（三）柱距优化
柱距的选择影响因素很多，涉及到凛条架设形式、屋面荷载大小及刚架的跨度等等，刚架的柱距不仅影响到刚架主体结构的材料耗费量，而且由于柱距与擦条、侧向支撑构件联系密切，故柱距的选择也会影响到这些构件的用钢量。当柱距增大的时候，刚架的用钢量呈下降趋势，擦条等辅助构件的用钢量增加幅度不大，总体态势为减小，但并不是意味着随着柱距的增大，用钢量会无限制的减小，前面所述之所以整体用钢量趋势是下降，那是因为辅助构件的增加量并没超过主体刚架的减小量。当柱距逐渐增大到一定程度时，它们之间会有一个平衡点，再增大之后用钢量就会逐步增加，所以柱距也应该存在一个合理的取值范围。
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