鋼網架結構設計方法及其優化措施分析

高青松 鄧海明

（云南省交通規劃設計研究院有限公司，云南 昆明 650041）

1 鋼網架結構設計基本理論

在鋼網架的使用過程中，鋼材的主要性能參數是溫度、應力、變形等。因此，對鋼材進行選擇的時候，要考慮到其自身的特點和所處環境，并且要保證其具有良好的力學性質和熱工方面的性能；同時，還要注意到鋼材的耐腐蝕性，因為鋼鐵的耐火能力強弱與鋼材的抗壓強度大小有著密不可分的關系；另外，還需要對材料的熱穩定性以及抗疲勞性等因素加以控制，以確保其能夠長期地工作在高應變的狀態下[1]。對于一個工程來說，最基本的要求就是安全性，所以一定要選用安全系數較高的材料來作為施工的基礎條件，并加強對施工人員的技術培訓，提高他們的操作水平，使工作人員的作業效率得到有效的提升；此外，還應該根據實際情況，選取合適的機械設備，并采用合理的措施來降低成本，從而達到最佳的經濟效益。

2 鋼網架結構設計方法

目前，我國鋼網架結構設計方法主要有類比法和計算機輔助設計法。（1）類比法。這種方法是通過對已有的鋼材進行結構的分析與計算，從而得出結論。在這一過程中，需要根據實際的情況來選擇合適的方案和合理的布局方式。在這一步驟中，首先要對所選的構件進行詳細的了解和分析，包括材料的性能、力學屬性等，然后再確定出其具體的截面尺寸，最后再將其與所選的節點相連接，最終得到所需的結構形式；（2）電腦設計法。這一方法是指利用CAD 系統來完成結構的建模工作，并以此為依據，進而生成三維圖紙。該方法的優點在于能夠快速地獲取模型的相關信息，并且可以直觀地反映出整個的幾何形狀，同時還能保證數據的準確性和可靠性[2]。

3 鋼網架結構設計方法及其優化措施

3.1 鋼網架的設計與配重

隨著我國社會經濟的發展和鋼網架結構的不斷改進，鋼網架的設計方法也越來越多，主要分為兩種：一種是對已有的鋼材進行合理的加減，從而達到提高截面強度的目的；另一種則是在原有的基礎上，對鋼材的重量和尺寸的變化規律加以總結，并結合實際的施工情況，最終確定出最合適的設計方式。

在對現有的幾種鋼材加減設計方法的研究過程中發現，目前常用的加減系數的方法有兩種，分別為單根的單重、雙重。其中單根的單重法就是將原邊梁的厚度作為變量，通過改變構件的長度來實現的；而雙重心法是將原邊梁的質量看作一個變量，將其視為正交分量，進而根據其大小的不同來決定材料的用量。

因此，在選擇鋼材的時候，應該從以下幾個方面著手：（1）合理地選取截面參數，以達到降低重量的目的；（2）對構件的受力情況加以分析，以確定出最合適的截面參數；（3）通過計算得出最佳的桿件直徑，以便于接下來的優化工作。

3.2 鋼網架結構設計

由于鋼網架的截面形狀和尺寸都比較復雜，所以在進行結構設計時，必須要考慮各種因素的影響才能實現預期的效果和目標。因此，在鋼網架的設計過程中，需要對這些問題的解決辦法有一定的了解和掌握，并能夠將其運用到實際的工作中。

圖1 網殼后補桿端部臨時固定措施示意圖

（1）彈性模量法。這種方法是通過計算鋼材的彈塑性模量來確定結構的材料屬性的一種方法。它主要是以彈塑性理論為基礎，并結合了力學、材料及工程等方面的相關理論，來對結構的彈塑性的極限狀態下的變形行為以及應變情況作出分析，從而得出可靠的結論；（2）應力矩法。它的原理是利用了屈服點的瞬時變化的特性，對金屬物的抗拉強度的大小產生作用，然后再根據這一特點，就可以得到構件的拉伸位移，最后再把所獲得的結果與原假設的值對比，就可求得所需的彎矩。

3.3 結構設計要求

結構設計是整個鋼材的選型和強度校核的基礎工作，其主要目的就是確定鋼材的屈服極限，需要滿足經濟性的要求；在進行結構設計時，應根據實際情況選擇合理的截面尺寸和材料，并對其抗彎、抗剪、抗扭等性能參數加以限定，以保證鋼材的質量達到安全可靠的標準。

在對施工場地的布置上，應盡量避免大的擾動以及影響周邊建筑設施的正常使用，并使之與周圍環境協調一致。

（1）鋼網架的平面布局要考慮到受力條件，包括地震作用力及風荷載等；（2）在計算中，要注意到各種荷載的變化趨勢，如恒荷載、風載荷及地震作用等。另外，還要充分了解不同類型的節點受力特點，防止出現應力集中現象。

3.4 鋼網架結構尺寸確定

鋼材的抗拉強度和抗壓能力都比較強，在實際的施工中，需要對鋼網架進行合理的結構設計，從而保證其能夠滿足使用要求。在對鋼網架的截面尺寸進行確定時，要注意以下幾個方面：

（1）要結合具體的工程情況，選擇合適的截面半徑大小，以確保其具有足夠的穩定性和承載力。同時還要考慮到經濟性，盡量減少不必要的浪費；（2）在確定了相應的構件直徑之后，還應該將其作為一個重要的參考參數，這樣可以使整個設計更加的科學、可靠。另外，還應將鋼材的收縮率、塑性以及熱導率等因素綜合起來，以避免出現應力集中現象。

3.5 優化鋼網架結構參數

由于鋼網架結構的設計方法和施工工藝的不同，會影響到鋼網架結構的質量和安全，因此，在進行優化時，要結合實際情況，選擇最適合的方法對其結構參數進行分析，以保證其具有更好的力學性能。

（1）根據設計要求，確定構件的截面尺寸，并對其剛度、抗彎能力以及抗剪強度等進行計算，以滿足使用條件；（2）在對鋼板的布置方式、焊接位置及連接形式的選定時，應考慮經濟性，盡量減少構件的重量與變形，降低應力集中現象。同時，也要避免因局部受壓而產生過大的位移或力傳遞，從而造成大范圍的破壞或浪費；（3）對于采用高支座的鋁合金建筑，應盡可能地使支座的剛度最大，減小支撐的負彎矩，提高整體穩定性[3]。另外也可以將梁的節點設置在梁的中部；而將柱的節點加設為加強柱，可使柱的穩定屈曲程度得到改善，增加整個體系的抗扭矩。

3.6 地震時程

地震時程是指根據不同的地震加速度進程曲線結果，對鋼材的截面進行合理選擇，使其滿足一定的抗拉強度和屈服極限，從而達到提高鋼材的力學性能的目的；同時，還能夠有效地避免因地震而產生的破壞作用。

地震時程的確定主要有以下幾個方面：（1）鋼材的承載力計算。在設計階段，需要考慮鋼材的使用年限以及其自身的應力水平，這就要求設計人員要充分地掌握材料的相關特性，并結合實際情況，對結構的受力特點做出準確的判斷和分析，以保證結構的安全可靠；（2）結構的整體剛度的驗算。當發現構件的局部剛度出現了問題，或者是受到了較大的約束時，可以及時地采取適當的措施來解決問題，以免造成更大的傷害事故。此外，還應注意的是，在設計的過程中，要盡可能地使節點之間的距離變大，以便于安裝的方便性。

3.7 鋼網架結構的設計尺寸

一般情況下，鋼網架的結構尺寸主要受到以下幾個方面的因素影響：

（1）鋼網架的截面尺寸。在實際的生產中，鋼網架的結構往往會受到多種的應力和荷載的共同作用，因此其受力也是復雜的、多變的；（2）鋼材的抗彎能力。抗彎性能的強弱直接決定了其承載力的大小；而抗拉強度則是衡量結構安全性的重要指標；（3）材料的屈服極限。在相同的條件下，不同種類的金屬都具有不一樣的彈性模量，這也就導致了鋼鐵的力學性質和使用要求的差別較大，所以說，對于同一類的鋼材來說，其承受的拉壓值也就相差甚遠，從而使得鋼板的疲勞壽命大大降低。

3.8 鋼網架結構的設計形狀

為了保證鋼網架結構的剛度和強度，應使其具有一定的平面度，但也要注意在設計過程中的幾何外形。鋼網架的設計形狀主要有矩形、三角形、圓形等。

矩形截面的特點是：（1）在相同的條件下，線形的線形比圓拱的線形大，并且其曲率較小，所以其抗彎能力強；（2）在相同的情況下，線形的彎曲應力大于屈服極限，因此它的抗拉和抗剪承載的性能較好；（3）由于直線段的受力較為均勻，因而可以將直線段的受力區域劃分為若干個單獨的部分進行計算，而不必考慮整體的力學特性。矩形截面的優點是：（1）矩形的橫梁上的點比較容易形成橫向的裂縫；（2）矩形的橫梁上的縫隙不會影響到鋼筋混凝土的保護層，從而提高了鋼材的使用壽命。此外還有一些缺點，比如：如果采用圓拱的形式則會增加鋼板的重量，以及增大構件的高度并不利于美觀。

3.9 鋼網架結構的載荷

結構的受力主要是由靜力學中的各種應力集中產生的結果引起的；由于鋼網架的工作環境復雜，所以鋼網架的結構在承受荷載時，往往會出現不均勻的受拉和變形，導致截面的內力和位移都會發生不同程度的變化；而當受到外荷載作用時，則會使構件的內力分布發生變化，從而影響到整個結構的安全穩定運行。

因此，需要對其進行合理的設計計算，以保證其滿足強度要求，同時也要盡量避免因過大的剛度而造成的附加應力的問題；在設計過程中，應根據實際的情況選擇合適的材料、尺寸以及施工工藝，以降低鋼材的塑性流動，提高機械性能。對于上述的幾種因素，本文所研究的內容為：（1）確定鋼網架的基本形狀，并對其進行優化，使之符合工程的需求；（2）對模型的簡化與加載條件的探討；（3）建立有限元的數學模型，并分析出最不利的參數位置，以便于之后的設計與驗證。

4 結語

本文主要研究的是鋼網架的優化設計，鋼網架的結構體系是由鋼材的截面形狀、尺寸和材料性能等因素所決定的一個整體。在進行結構優化時，需要對各種影響因素充分考慮，這樣才能使結構的力學特性得到改善，從而使整個結構更加安全可靠。