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門(mén)式鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及步驟
輕型門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)具有造價(jià)低、重量輕、安裝方便、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，因此近幾年來(lái)發(fā)展較快，在工業(yè)廠房中已得到了較廣泛的應(yīng)用。但是在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，由于鋼結(jié)構(gòu)桿件特別是門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)變截面尺寸需要經(jīng)過(guò)多次試算才能確定，加之目前設(shè)計(jì)人員對(duì)這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)還不豐富，因此設(shè)計(jì)效率不高，桿件截面尺寸的選擇也不盡合理，容易造成整體結(jié)構(gòu)各桿件應(yīng)力不均，不僅經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不夠理想，而且整體結(jié)構(gòu)的安全度也不高，甚至一些工程會(huì)出現(xiàn)個(gè)別桿件應(yīng)力過(guò)大，超過(guò)材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。即使考慮鋼結(jié)構(gòu)材料塑變后的應(yīng)力重分布，但仍有可能使整體結(jié)構(gòu)存在某些安全隱患。
優(yōu)化目標(biāo)在進(jìn)行門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下，使結(jié)構(gòu)的用鋼量最省、造價(jià)最低。這也就是我們采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化目標(biāo)。而在實(shí)用設(shè)計(jì)中，門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量和造價(jià)又是由結(jié)構(gòu)桿件的截面尺寸決定的。因此,我們的優(yōu)化目標(biāo)可以直接簡(jiǎn)化為如何選擇經(jīng)濟(jì)合理的截面尺寸，使其在滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等要求的前提下，截面面積最小。
優(yōu)化方法與網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法相似，門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法也采用漸近滿應(yīng)力法，即門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)桿件通過(guò)多次計(jì)算分析選擇修改其截面尺寸，使其達(dá)到或盡量接近滿應(yīng)力狀態(tài)，直到門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)的全部桿件的截面尺寸不需修改為止，使門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量最小，以達(dá)到造價(jià)最低的優(yōu)化目標(biāo)。構(gòu)件截面尺寸的修改，也就是截面尺寸的優(yōu)化，其方法是選取的截面尺寸力求其在平面、出平面兩個(gè)方向的截面抗彎抵抗力矩最大，而其截面面積最小，即在外荷載作用下，截面尺寸的選擇既要能滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定驗(yàn)算中構(gòu)件材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，又要使材料用量最省。具體優(yōu)化方法這里從略。
門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析步驟根據(jù)采用的優(yōu)化方法和約束條件，門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析步驟如下：第一步：確定門(mén)架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初定截面尺寸，一般則軟件根據(jù)門(mén)架結(jié)構(gòu)的跨確定，也可由設(shè)計(jì)人員確定;第二步：采用變截面桿件有限元進(jìn)行各種工況下的門(mén)架結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、荷載組合，強(qiáng)度及穩(wěn)定驗(yàn)算;第三步：根據(jù)實(shí)際荷載效應(yīng)，各種約束條件，采用滿應(yīng)力截面優(yōu)化方法重新優(yōu)化選擇門(mén)架結(jié)構(gòu)各桿件截面尺寸;以上第二步、第三步可反復(fù)循環(huán)進(jìn)行，每循環(huán)一次即完成優(yōu)化選擇，直到所選截面尺寸與上一次截面尺寸完全一致為止。第四步：驗(yàn)算門(mén)架結(jié)構(gòu)梁、柱各點(diǎn)的變形及滿足有關(guān)規(guī)范的要求，如不滿足則按一定的比例參數(shù)參照截面滿應(yīng)力優(yōu)化方法優(yōu)化調(diào)整截面尺寸，再重復(fù)第二、三步循環(huán)優(yōu)化，直到門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件的各點(diǎn)變形滿足規(guī)定要求為止。實(shí)現(xiàn)截面尺寸滿應(yīng)力優(yōu)化，其循環(huán)次數(shù)較多，一般在10次以上方可收斂，而實(shí)現(xiàn)門(mén)架剛度滿足變形要求的截面尺寸優(yōu)化次數(shù)較少，一般1-3次即可滿足要求。
