工業廠房排架結構設計優化價值及路徑研究

劉睿

河北建筑工程學院，河北張家口，075000

0 引言

大型工業廠房中的排架結構設計是工廠重要的生命線工程之一，主體建筑結構的安全直接關系到工廠的正常運作。廠房的鋼彎框架結構實際上是一種空間結構體系。不同的彎架柱與彎架結構的頂板相連，使柱子共同工作，共同承受荷載。由于標準化程度高、工期短，工業廠房的框架結構得到了廣泛的應用。在20世紀最后10年，鋼結構排架柱被中國的重型廠房采用。隨著鋼材產量的增加，越來越多的輕型廠房也采用鋼結構排架柱，主要是帶牛腿的變截面柱。在屋面自重或其他活荷載和集中風荷載作用下，鋼彎框架柱可簡化為帶壓桿的模型，即頂部承受橫向集中力的懸臂變階梯柱。廠房的鋼架結構的設計具有便捷、環保以及經濟的作用，正是因為廠房鋼架結構具有這些顯著的優點，因此工業廠房對于整個工業生產以及工業管理來講是十分重要的。

1 工程結構設計優化的背景及鋼結構排架研究

1.1 工程結構設計優化的背景

工程設計優化出現在20世紀中葉，幾乎涉及土木工程、機械工程、工業和航空航天工程的各個行業[1]。這些應用涵蓋了從鋼材到飛機機翼等產品的完整系統和組件。在當今世界，優化已廣泛應用于運籌學、人工智能和計算機科學，并用于開發管理領域和除工程以外的各種其他學科的流程。優化問題的目標函數表示要最大化或最小化的一些量，例如利潤或成本。制定優化問題的數學模型的第一步是識別設計變量并根據這些設計變量描述約束。設計變量取決于問題的類別和要求。

當代結構優化起源1960年。早期的結構優化算法基于數學規劃技術。結構設計問題被表述為決策問題，其中目標函數被選為結構的最小成本或重量[2]。將位移和許用應力約束引入數學模型。結構構件的橫截面積被視為設計變量。這種表述已經將結構設計問題轉變為決策問題。這些結構設計問題中的設計約束是設計變量的非線性函數。基于能夠處理離散變量的數學編程技術的技術很復雜，并且不容易為編程編碼。

在我國，鋼結構住宅系統的開發和應用還處于初級階段。1950年以來，我國鋼結構迎來了初步發展。多層和高層民用鋼結構住宅與發達國家相比還有很大的進步空間[3]。20世紀80年代以來，我國鋼結構迅速進入發展階段，多層民用鋼結構住宅逐漸開始出現。21世紀初，數十項鋼結構住宅科研項目通過建設部審查，最終確定了北京首個鋼結構住宅產業化，形成科技示范工程。此后，一大批鋼結構房屋試點項目層出不窮[4]。此外，一些大型國有企業和新興民營企業也開始涉足鋼結構產業的研發。建設部、同濟大學、天津大學等國家建設部門和重點高校奠定了堅實的理論分析和研究基礎，使鋼結構住宅在實踐中得到更好的應用。當然，這也離不開國家建設和科技發展部門的積極推動。為發展國內鋼結構而成立的中國鋼結構住宅協會，在建設部的積極推動下應運而生。全國各地也傾盡全力，不斷探索發展道路，舉辦各類研討會，并在實踐中建設了一些實驗房，如工業廠房。工程結構設計優化的背景影響下，對工業廠房排架結構進行設計研究進一步發揮了優化后的排架結構的價值。

1.2 鋼結構排架相關研究

在鋼彎架柱受力方面，學者通過單層廠房設計詳細闡述了平面彎架，確定了示意圖荷載計算程序、柱截面內力分析、內力組合，但沒有給出模型簡化的理論公式。 M.Rezaiee-pajand討論了框架系統在重力和橫向載荷下的支撐性能，并應用虛擬功法解釋和計算了框架在橫向載荷下的位移[5]。他們的研究重點是分析具有功能梯度截面的錐形梁柱。使用兩種不同的方法，分析中考慮了連接的二階效應和靈活性。然而，沒有研究扭轉和彎曲變形的影響。在工業廠房的排架結構研究中，學者介紹了 MS-TMM 用于分析罕見地震期間新型單層框架彎曲結構的彈塑性響應。彈塑性反應譜直接用于抗震設計，計算結構在罕見地震作用下的彈塑性反應。通過理論分析推導出彈塑性反應譜的一般表達式，提出彈塑性反應譜在地震作用計算中的應用方法，但沒有提出框架的確切性函數。在屋面自重或其他活荷載和集中風荷載作用下，鋼彎框架柱可簡化為帶壓桿的模型，即頂部承受橫向集中力的懸臂變階梯柱。

至于壓桿，歐拉和拉格朗日首先分析了直桿在端載荷作用下的非線性屈曲。后來，許多研究人員也進行了相關研究。其中，Griner成功地提出了直桿受壓耦合彈性的參數化解[6]。基于彈性力學理論，給出了帶彈性支撐的連續桿非線性屈曲分析問題的參數化解。通過假設壓縮力和抗彎剛度可能從一個跨度到另一個跨度變化，提出了彈性支撐上的彈性連續桿在終端壓縮力下的非線性和屈曲分析。建立了每個變形構件的強非線性平衡微分方程，并通過方便的邊界和相容條件，建立了具有未知數的方程，進一步豐富了一組三矩方程，并提出了一種歐拉彈性泛函的快速算法，其中歐拉彈性泛函被重新表述為一個約束最小化問題。結合增強拉格朗日方法和算子分裂技術，由此產生的鞍點問題通過一系列子問題來解決。然而，在他們的工作中沒有考慮到可變截面構件和塑性變形。

2 大型排架結構工業廠房的設計要點

2.1 排架基本結構

大型工業廠房中的排架結構設計是工廠重要的生命線工程之一，主體建筑結構的安全直接關系到工廠的正常運作。因此，工廠的主體建筑結構必須具有足夠的抗震能力。接頭是整體結構中連接梁柱的關鍵部件，是整個結構構件的傳動樞紐。因此，安全可靠的接頭是結構正常工作的前提。主廠房結構包括結構和承載性能復雜的異常節點。在這些大型廠房的排架結構當中，主要的承重是由縱向和橫向的排架結構所承擔的，他們在大型廠房的排架承重中承擔著最基本和最根本的承重作用。在橫向平面排架的布局中，橫向平面排架能夠將大型廠房結構中的大部分力量向地基等縱深進行延伸，從而有效地保證了大型廠房平面排架結構布局的穩定性和耐久性。平面鋼結構彎架計算在工業廠房設計中占有重要地位。帶牛腿的鋼彎框架柱是在變軸力作用下的彎曲構件。柱頂承受屋面結構自重、屋面活荷載、雪荷載和縱向力，包括縱向地震力、集中風荷載，其特點是上部和下部的部分中上部的長度和載荷遠小于下部。工業廠房的鋼彎框架結構實際上是一種空間結構體系。不同的彎架柱與彎架結構的頂板相連，使柱子共同工作，共同承受荷載。在20噸以內的起重機的廠房鋼架中，采用帶牛腿的變截面柱來承受起重機載荷[7]。

2.2 大型排架結構的計算方法

目前市面上的大多數大型排架結構工廠對于廠房的設計一直都遵循著這樣的設計理念，那就是方便計算，廠房的設計者們通常會基于各個不同的橫向平面排架之間都是互不關聯的假設，這些各不相同的橫向排架結構之間都是互相獨立進行工作的[3]。通常情況下，由于大型廠房在設計上呈現出橫向排列的特點，導致廠房長度較長，因此那些縱向排列的柱子比較多，這也就導致了這些縱向排列的柱子在水平方向上所承受的力比較小。

2.3 設防強度

地震烈度是指某一地點地震振動的強度，也可以理解為地震場的強度。由于地震具有很大的隨機性，根據50年設計基準期內的發生概率可將其分為基本烈度（10%）、頻繁烈度（63%）和罕見烈度（2%）[8]。建筑抗震設防目標和設計方法中抗震規范GB50011采用建筑物的“三級”抗震設防目標：第一級，經常發生地震烈度低于該地區抗震設防烈度時，仍可不損壞、不修繕使用；第二級，當遭受與該地區抗震設防烈度（基本地震烈度）相當的一定程度的破壞時，不予修復或一般修復后仍可使用；第三級，發生預估罕見地震烈度高于該地區抗震設防烈度時，不應倒塌或對人身安全造成嚴重損害[9]。

結構抗震設計分析方法中常用的是反應譜法。反應譜法是根據實際地震過程中單個質點彈性系統的響應來分析結構響應。根據該理論，利用地震譜曲線可以根據實際地震動計算建筑物的響應。所謂響應譜曲線，就是單個質點彈性系統對實際地震動的最大響應與系統自振周期之間的函數關系[10]。

3 優化工業廠房排架結構設計的策略

3.1 優化工業廠房排架結構的選型與方案設計

廠房的鋼架結構設計具有便捷、環保以及經濟的作用，正是因為廠房鋼架結構具有這些優點，因此工業廠房對于整個工業生產以及工業管理來講是十分重要的[11]。工業廠房建設在其中起到了舉足輕重的作用，因此我們在建設時不僅僅只是滿足建設的基本要求，同時還要注重工業廠房鋼架結構建設的科學性和合理性。工業廠房的排架的選型與設計方案的制定過程中，要依據工廠的實際情況制定相應的方案。在設計的過程中要考慮廠房的抗震的強度。在選址方面，設計人員要勘察選址地區的地質結構，分析工業廠房的位置、建面、建筑材料等要素。除了實地勘察調研，設計者需要在前人經驗的指導下，參考他人經驗進行排架設計，如參考他人的設計指導書，同時設計者要制定出符合本工廠排架設計的指導書，以為建筑工人提供專業的指導，保障各項工作的順利進行。當制定出排架設計的方案后，要將方案提交到參建的項目單位，使項目有序開展。

3.2 要加強對廠房鋼架結構設計質量的重視

在工業廠房鋼架結構的建設中，鋼架結構的材料選擇尤為重要，這關系到整個工廠的安全[12]。鋼材作為整個工業廠房建設中最為經濟性以及實用性的建筑材料，同時其應用的廣泛性也受到了大多數建筑結構的青睞。鋼架結構作為一種設計比較合理、科學的工業廠房設計結構，其在廠房的安全性上表現得十分優秀。但是在工業廠房鋼架結構中，大量使用鋼材也會導致此種排架結構消耗大量的人力資源以及時間。這就導致了在廠房鋼架結構設計中，有一部分的設計人員出于追求效率和便捷性的原因，而直接照搬或者是參考其他國家在工業廠房鋼架結構設計中的有關方案。這種直接照搬或者是參考其他設計的做法，沒有考慮到工業廠房鋼架結構建設的實際和工廠建設的具體要求，導致工業廠房鋼架結構設計的有關方案在實踐操作層面可行性非常低。另一方面，也導致了在實際的鋼架結構建設過程中造成了人力、物力以及財力的大量浪費[9]。因此我們在建設工業廠房的鋼架結構時，要保證鋼架結構材料選擇的合理性。保證工業廠房鋼架結構設計達到基本要求的基礎上，著重提高工業廠房鋼架結構設計的質量和使用性能。

在排架柱方面，工業廠房在設計上對于豎向的負荷要求一般都不大，并且在豎向的負荷上混凝土能夠承受較大的承載力，因此在建造結構的選擇上適宜采用工型柱這種結構[13]。工型柱不僅能夠極大地減輕自身材料的重量，同時還能夠降低成本用料，對于整個建造結構的受力也更加有利。在縱向平面排架的設計中，要確保工業廠房排架設計中的剛度，保持其縱向的穩定性，如圖1所示。

圖1 縱向排架示意圖

3.3 使用優化結構設計算法

優化結構設計算法為工業廠房排架結構的設計提供了有用的工具。該算法可以確定鋼結構排架柱構件的最佳拓撲結構、最佳幾何形狀和最佳鋼材，使得鋼結構排架柱可以使用足夠的鋼材而不浪費更多的鋼材來建造。結構設計優化實現了這些目標，使得鋼設計標準定義的設計約束在施加的載荷下得到滿足，并且所考慮的鋼結構排架柱的重量或成本最小。在制定時，可以將結構優化問題分為兩類：在某些設計問題中，設計變量可能具有連續值；但在其他一些情況下，要求必須從一組離散值中選擇設計變量的值。

4 結語

通常情況下，由于大型廠房在設計上呈現出橫向排列的特點，導致廠房長度較長，因此那些縱向排列的柱子比較多，這也就導致了這些縱向排列的柱子在水平方向上所承受的力比較小。優化結構設計算法為工業廠房排架結構的設計提供了有用的工具。工業廠房建設在其中起到了舉足輕重的作用，因此我們在建設時不僅僅只是滿足建設的基本要求，同時還要注重工業廠房鋼架結構建設的科學性和合理性。工業廠房的排架的選型與設計方案的制定過程中，要依據工廠的實際情況制定相應的方案。在致力于工業廠房的鋼架結構建設時，要保證鋼架結構材料選擇的合理性。保證工業廠房鋼架結構設計達到基本要求的基礎上，著重提高工業廠房鋼架結構設計的質量和使用性能。