摘要：門式剛架結構與傳統的建筑結構相比，在理論方面還不是很完善，還有較大的發掘空間，對門式剛架進行優化設計的課題由此提出。本文的優化設計能合理利用材料的性能，使結構內部各單元得到最好的協調，并具有規范所規定的安全度。同時，它還可以為整體性方案進行合理的決策，因此優化設計是實現設計最終目標—安全、適用和經濟的最有效的途徑。
　　關鍵詞：門式剛架；參數分析；優化設計；半剛性
　　一、門式剛架輕型鋼結構的特點
　　門式剛架輕型房屋鋼結構體系是由剛架、屋蓋、圍護體系、及相應的支撐所構成的結構體系。最常見的結構體系中，一般由實腹式焊接日型鋼組成的門式剛架作為承重結構。而圍護結構主要包括型鋼檁條以及壓型鋼板組成的屋面系統。
　　門式剛架與其它形式的建筑結構相比，具有以下優勢：
　　(一)構件形式經濟合理，結構質量輕。質量輕主要是由于圍護結構的材料采用的是金屬板與薄壁型鋼，因而門式剛架的負荷較小，剛架自重也隨之減輕。而基礎結構是與上部結構密切相關的，剛架整體變輕了，對基礎的要求就會降低，基礎的尺寸可以做小。
　　（二）抗震性能好。門式剛架自重輕，地震反應較小，很適合在地震多發地區中推廣使用。
　　（三）施工周期短。與其它類型的建筑形式相比，門式剛架的構件是在工廠統一制作好以后運送到現場再進行裝配，而且構件的連接方式一般采用螺栓或者焊接，安裝非常迅速。構件的制作與施工沒有沖突，因而可以最大限度的壓縮施工周期。
　　（四）易于拆遷。剛架結構與混凝土結構相比的另一大優勢是拆卸方便，鋼結構只要將構件拆散然后搬遷到新的建筑地點重新裝配就可以投入使用，混凝土建筑就不具備這種優點。
　　二、門式剛架優化設計方法研究
　　（一）建模中的假設
　　本課題所研究的內容主要針對單跨雙坡對稱形式的門式剛架。且斜梁腹高沿梁長是均勻變化的，在建立模型時需要對實際模型進行簡化，特提出以下假設。
　　1、優化變量包含鋼架柱和梁的截面尺寸以及截面變化規律。
　　2、優化后截面發生變化，為了保證剛架平面內的穩定性，應保證翼緣板的寬度和厚度，僅改變腹板的高度。
　　3、門式剛架柱腳一般采用平板式鉸接柱腳，當有橋式吊車或者剛架側向剛度過弱時，則應采用剛接柱腳，本文研究的模型是不含吊車的廠房，在荷載組合時也沒有考慮到吊車荷載的作用，采用的模型假設柱底連接為理想鉸接。
　　4、梁柱節點考慮為半剛性節點。在以往的截面優化中，往往假設梁與柱的節點為剛性連接，但是實際工程不可能做到完全理想的剛性連接，在此假設為半剛性并對節點施于一定的轉動剛度能更好的模擬實際工程狀況。
　　5、考慮到門式剛架設置了許多平面外支撐體系來保證結構的平面外穩定。所以在建模時不考慮平面外的穩定性，在計算鋼結構變形時，不考慮螺栓引起的截面削弱影響。
　　（二）單元類型的確定及半剛性節點模型處理方法
　　ANSYS軟件就工程性質的不同，為結構分析提供了多種不同的單元類型供不同類型的工程分析選擇。通常選擇單元的原則是盡量選用維數較少的單元而且能盡可能模擬出所分析構件的力學性質。所以在ANSYS分析中，單元的選擇具有非常關鍵的作用，選取的恰當與否直接關系到模型的復雜程度和分析結果的精確程度。ANSYS在分析結構問題時，大致將結構劃分為桿系問題、梁系問題、平面問題和板殼問題四類。在門式剛架的分析中，梁、柱分別視為受彎構件和壓彎構件，所以在考慮單元的選取時，要考慮彎曲效應對單元的影響。由于剛架的梁、柱處于同一平面，可以考慮采用二維平面梁單元BEAM3來作為分析的基本單元體。
　　三、門式剛架幾何參數優化
　　（一）優化方法及基本參數的確定
　　采用結構分析軟件SAP2000與PKPM中的鋼結構設計模塊STS，在滿足結構規范對結構強度、應力比、長細比等的要求下，對前面所述參量進行用鋼量的理論分析，當然有些參數的影響是在借鑒前人設計的基礎之上進行總結出來的，根據建筑要求與綜合指標提出合理的初始設計參數。在借助軟件分析總結時，設定的不變量是荷載，即在作用荷載不變的情況下，隨著坡度、柱距、跨度等的變化，用鋼量會呈現怎樣的變化，具體的實施方案為先在SAPZ000里面進行建模、計算，定義單元截面時在單元庫中添加進去待選的工字鋼截面參數，設置為自動選擇項。
　　（二）坡度優化
　　屋面做成斜屋面主要目的是用來排水的，所以屋面坡度主要由排水情況來決定，當屋面的坡度改變時，所引起的內力的變化并不大，只是由于坡度的變大而使得斜梁的長度增大從而導致了主體結構用鋼量的增加。在跨度不變的情況下，屋面坡度越小，用鋼量越省，但是對結構受力不利，應力接近設計強度。當屋面坡度變大時，雖然結構受力性能有所改善，但是由于維護結構的用鋼量增大，總體結構的用鋼量會隨之變大。
　　（三）柱距優化
　　柱距的選擇影響因素很多，涉及到凜條架設形式、屋面荷載大小及剛架的跨度等等，剛架的柱距不僅影響到剛架主體結構的材料耗費量，而且由于柱距與擦條、側向支撐構件聯系密切，故柱距的選擇也會影響到這些構件的用鋼量。當柱距增大的時候，剛架的用鋼量呈下降趨勢，擦條等輔助構件的用鋼量增加幅度不大，總體態勢為減小，但并不是意味著隨著柱距的增大，用鋼量會無限制的減小，前面所述之所以整體用鋼量趨勢是下降，那是因為輔助構件的增加量并沒超過主體剛架的減小量。當柱距逐漸增大到一定程度時，它們之間會有一個平衡點，再增大之后用鋼量就會逐步增加，所以柱距也應該存在一個合理的取值范圍。
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