輕型鋼結(jié)構(gòu)門(mén)式剛架在工業(yè)廠房、公路(鐵路)庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、飛機(jī)庫(kù)、集貿(mào)市場(chǎng)、體育場(chǎng)館、航空港、商業(yè)建筑中越來(lái)越得到人們的青睞。

輕型鋼結(jié)構(gòu)的“輕”有兩個(gè)含義，一是采用輕型材料，二是鋼材消耗量低。在門(mén)式剛架中，采用輕型焊接變截面工形柱和分段變截面工形梁并利用腹板屈曲后強(qiáng)度，是降低其用鋼量的有效措施，但這就使得結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)件計(jì)算變得復(fù)雜化。因此，研究和開(kāi)發(fā)輕鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能評(píng)估和繪圖系統(tǒng)，必將對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展起到非常大的促進(jìn)作用。目前，PKPM系列軟件的STS模塊已經(jīng)能進(jìn)行輕型鋼結(jié)構(gòu)門(mén)式剛架的分析計(jì)算、截面優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工圖繪制。本文論述了其輕型鋼結(jié)構(gòu)門(mén)式剛架的截面優(yōu)化方法以及軟件的功能和應(yīng)用。

門(mén)式剛架截面優(yōu)化方法

截面優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方法有二種。一是用優(yōu)化理論來(lái)解決，把問(wèn)題歸結(jié)為一個(gè)單目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是用鋼量少或造價(jià)低，各種設(shè)計(jì)條件如結(jié)構(gòu)反應(yīng)（應(yīng)力、位移等）的允許范圍等都可作為約束條件，用數(shù)學(xué)規(guī)劃的理論來(lái)尋求優(yōu)解或滿意解。另一種方法是窮舉法，即把各種合理的構(gòu)件截面形式都進(jìn)行計(jì)算比較，在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，以用鋼量少或造價(jià)低為控制條件，得到滿意的截面尺寸。

門(mén)式剛架常采用變化構(gòu)件的截面來(lái)適應(yīng)彎矩變化以達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。除腹板高度變化外，厚度也可根據(jù)需要變化；上下翼緣可用不同截面；相鄰單元的翼緣也可采用不同截面。因此，影響整個(gè)剛架用鋼量的因素有上翼緣的寬度、厚度；下翼緣的寬度、厚度；腹板的厚度；構(gòu)件大頭、小頭的高度；而且這些因素之間也互相影響，互相不獨(dú)立。工程設(shè)計(jì)從形式上看，是一種基于嚴(yán)格的力學(xué)和數(shù)學(xué)法則的精確運(yùn)算過(guò)程；實(shí)際上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起重要作用的并不是那些運(yùn)算方法和數(shù)學(xué)處理，而是一系列難以用精確的計(jì)算解決的，具有主觀色彩的決策問(wèn)題，所以，完全用優(yōu)化理論來(lái)實(shí)現(xiàn)截面優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的復(fù)雜性，還需要進(jìn)一步的理論研究。另外，用窮舉法解決截面優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，多因素決定了計(jì)算次數(shù)隨構(gòu)件數(shù)增加而呈指數(shù)關(guān)系增加，故當(dāng)剛架構(gòu)件較多時(shí)，要花費(fèi)很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。

當(dāng)設(shè)計(jì)者確定了結(jié)構(gòu)形式后，截面優(yōu)化比較簡(jiǎn)單易行的方法是按照構(gòu)件的內(nèi)力來(lái)調(diào)整截面尺寸，經(jīng)過(guò)試算確定重量小的截面。這種方法不但計(jì)算次數(shù)少，而且可以人工干預(yù)截面優(yōu)化范圍，快速的得到比較理想的截面尺寸。