门式刚架轻型结构房屋的发展现状门式刚架轻型结构房屋的发展现状李一凡刘福胜孙勇(山东农业大学水利土木工程学院泰安271018)摘要介绍了门式刚架轻型结构体系在国内外的发展研究概况;评述了门式刚架结构优化设计研究领域从最初的尺寸优化发展到形状优化、拓扑优化的基本历程;针对我国的实际情况,对门式刚架轻型结构体系在原材料供应、设计、技术力量等方面存在的问题进行了分析,提出了相应的解决措施。
关键词门式刚架发展设计尺寸优化形状优化拓扑优化STATE2AND2ARTOF THEDEVELOPMENTOFLIGHT2GAUGE STEEL PORTAL FRAME INCHIN ALi Yifan Liu Fusheng Sun Yong(College of Water Conservancy and Civil Engineering , Shandong Agriculture University Tai′an271018)ABSTRACT It is introduced the development and research of light2gauge steel portal fr ame structure systems both athome and abroad , it is reviewed emphatically main course of developing from initial siz ing design to shape and topologyoptimization in theportal′s structural optimization design field1 In view of our countr y′s actual situation , it is also analyzedthe light2gauge steel portal frame system′s problems , such as those of raw material su pply , design and technology.Corresponding countermeasures are also proposed.KEY WORDS light2gauge steel portal frame development design sizing optimiza tion shape optimizationtopology optimization门式刚架轻型结构体系是近年来在钢结构建筑中应用相当广泛的一种结构形式。
它是用等截面或变截面的焊接H 型钢作为梁柱,以冷弯薄壁型钢作檩条、墙梁、墙柱,以彩钢板作为屋面板及墙板,现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要承重结构,再配以零件、扣件、门窗等形成的比较完善的建筑体系,即门式刚架轻型结构体系。
这种结构体系可以在工厂批量生产,在现场按要求拼装形成。
能有效地利用材料,构件尺寸小,自重轻,抗震性能好,施工安装方便,建设周期短,能够形成大空间、大跨度,具有外表美观,适应性强,造价低,易维护等特点。
1 门式刚架轻型结构体系在国内外的发展概况门式刚架轻型结构体系在国外应用极为广泛。
在我国,随着压型钢板、冷弯薄壁型钢、H 型钢的引进和发展,轻型门式刚架结构体系也引起了普遍的重视,应用越来越广泛,逐渐成为许多工业和民用建筑的首选体系。
111 门式刚架轻型结构体系在国外的发展概况门式刚架轻型结构体系始于美国。
日本和欧洲第一作者:李一凡男1969 年1 月出生讲师Email:***************收稿日期:2005 - 11 - 01门式刚架轻型结构体系的应用也较多,但美国的门式刚架轻型结构体系发展最快,应用也最广泛。
由于门式刚架轻钢结构具有许多其他结构所不具备的优点,而且经济效益十分显著,因此这种结构形式在国外一经推出就得到了广泛应用。
国外轻型钢结构发展较早,由于汽车工业的发展,最初用于建造私人汽车库等简易房屋。
二次世界大战时期,由于战争的需要,一些拆装方便的轻钢结构建筑用于营房和库房。
20 世纪60 年代以来,国外建筑钢材的发展有了很大突破,随着色彩丰富而耐久的彩色压型钢板的出现以及H 型钢和冷弯型钢的问世,极大地推动了门式刚架轻型钢结构的发展。
随着新型建筑材料的出现、加工设备的不断改善、设计形式的多样化,门式刚架轻型结构体系渐渐普及到大型工业厂房、商业建筑、交通设施等建筑中,实现了设计、分析、出图的程序化(如大型通用化设计软件包Loseke Building System Software) ,构件加工、安装施工、经营管理一体化流程。
业主不是带着图纸委1李一凡,等:门式刚架轻型结构房屋的发展现状Steel Construction1 2006 (2) , Vol121 , No185 托加工,而是向承包商定购某种轻型钢结构房屋,承包商在规定时间内按业主要求按质建成,并交付使用。
这种高质量的快速供货方式,使业主感到十分满意,门式刚架轻型钢结构得以迅速发展。
目前,大部分国外轻钢公司都具有自己的门式刚架轻钢结构系列,各公司的轻钢结构系列大同小异。
据统计,欧美各国由轻钢结构体系建造的非住宅单层建筑物占总数的50 %以上,日本新建的1～4 层建筑大都采用轻钢结构。
在许多国家,如英、美、日、澳大利亚等已作为一种经济快捷的建筑结构体系,以商品的形式出售。
其中,美国门式刚架轻型结构体系应用在各领域比例为:1)商业(仓库、小卖店、事务所、银行、车库设施) 占42 %;2) 制造业(制造工厂、仓库) 占34 %;3)文化娱乐业(学校、教堂、娱乐、福利设施)占9 %;4)其他占15 %\[1\]。
在日本,门式刚架轻型结构体系有两种类型:第一种是日本自身发展起来的,已实现了构件标准化、定型化、装配化;经营管理、设计、生产、施工、售后服务系统化。
第二种是1989 年以来,在从美国引进的轻钢结构体系的基础上发展起来的。
日本工程界目前正就主刚架在地震力作用时保有水平耐力(即构件达到塑性阶段时的承载力) 所需的 Ds 值的取法( Ds 为地震空间结构分维,反映地震空间结构的相似性) ,大断面Z型冷弯薄壁型钢檩条及墙梁、高强度螺栓在椭圆孔处的受力状态等几个方面进行研究\[2\]。
112 门式刚架轻型结构体系在国内的发展概况我国门式刚架结构体系起步较晚,是在引进国外相关材料和软件的基础上发展起来的。
早在20世纪60 年代初,我国就对由焊接的工字形截面组成的门式刚架轻型结构进行了研究试验,主要是刚架的塑性设计,并应用于试点工程中。
但是,由于我国多年来一直从节约钢材和资金的角度出发,对建筑钢结构采取限制使用的政策,因此,门式刚架结构体系未得到长足的发展,无论是设计水平,还是施工水平,与国外相比,都有较大的差距。
近几年来,随着我国钢材产量的增加和焊接H 型钢的出现,压型钢板、冷弯薄壁型钢、H 型钢的大批量生产,特别是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102∶98) 的颁布实施,门式刚架轻型房屋钢结构在我国大量涌现,门式刚架轻型结构体系得到了较为广泛的应用,推动了该种结构体系在我国的设计、成型一体化进程。
许多大型钢结构公司都增加了门式刚架轻型结构体系的生产线。
程序化设计已经取代了手工设计,国外设计软件逐渐被我国自行编制的设计软件所替代。
据有关资料统计,到2000 年我国已建成的此类结构已达800 ×104 m2 以上,而且以每年100 ×104 m2 以上的速度增长\[3\]。
2 门式刚架轻型结构的优化设计门式刚架轻型结构的造价与其结构用钢量成正比,但是由于门式刚架受力的整体性,其各构件之间相互影响很大,要得到一个经济安全的设计方案是比较困难的。
目前结构优化设计可以分为:类型和材料的优化、尺寸优化、形状优化、拓扑优化。
211 类型和材料优化这一方面的优化通常采用定性的分析。
首先分析结构所应具有的功能,了解结构内部的生产工艺及所需空间,根据结构的功能要求和客观条件来进行结构形式和结构所用材料的优化,常以方案比较和择优的方法实现\[4\]。
王元清、王春光\[5\]研究了门式刚架工业厂房最优柱距的问题,从设计用钢量的角度对轻型钢结构工业厂房的最优柱距做了较详细的研究。
研究表明,随柱距的增大,刚架的用钢量逐渐下降,并且随柱距的增加,下降的幅度逐渐趋于平缓;而其他各项的用钢量均随柱距的增加而增加,并且增幅较大;对整个单层厂房上部结构,其总用钢量随柱距的增加先是逐渐减少,而后增加。
柳锋\[6\]等也对门式刚架的经济尺寸与优化初设计进行了研究。
研究表明,荷载是影响经济柱距的主要因素,跨度越大越应注意采用合理柱距;刚架的跨度也存在最优尺寸,主要影响因素也是荷载大小,与柱距一样,荷载越大越应注意采用合理尺寸。
212 尺寸优化在给定结构的类型、材料、布局拓扑和外形的情况下,优化各个组成构件的截面尺寸,使结构最轻或最经济,通常称为尺寸优化。
尺寸优化中的设计变量可能是杆的横截面积、惯性矩、板的厚度,或是复合材料的分层厚度和材料方向角度,用有限元计算结构位移和应力时,尺寸优化过程不需要重新划分网格,直接利用敏度分析和合适的数学规划方法就能完成尺寸优化。
这类优化过程中,设计变量与刚度矩阵一般为简单的线性关系\[7\]。
因此,尺寸优化研究一般为简单的线性关系,研究重点主要集中在优化算法\[8 ,9\]和敏度分析\[10 ,11\]上。
国内目前对门式刚架轻型结构的优化研究大都集中在这一领域,并已经取得了显著的成果。
丁龙2科研开发钢结构2006 年第2 期第21 卷总第85 期章\[12\]等采用渐近满应力法,研究开发了门式刚架结构优化设计软件SOA。
文献\[13\]采用GIG(General Interactive Gradient) 一般梯度法,研究了门式刚架在荷载作用下的优化,与传统设计方法相比,取得了较好的效果。
吴剑国\[14\]等采用离散复合形优化方法,依据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102∶98) ,建立了门式刚架轻型结构离散变量优化的数学模型,在3D3S(V310) 软件的基础上编制了门式刚架的结构优化程序。
刘鹏\[15\]使用遗传算法,对门式刚架进行了包括离散和连续变量的截面、形状混合优化的研究,并与PFCAD 系统相结合,形成了一个完整的门式刚架轻型房屋设计与优化系统。
此外,杨娜\[1\]等对门式刚架轻型结构的最优腹板高度进行了研究;杨泽华\[16\]等研究了门式刚架变截面柱的楔率选择。
这些研究,为加深对结构优化问题的认识、使用各种不同类型的算法提供了宝贵的经验。