钢网架结构优化设计的方法

　　空间钢网架结构作为一种建筑造型美观，经济指标优良的结构形式，已被广泛应用于工业及民用建筑领域。传统钢网架结构的设计不能达到结构材料用量最少、受力最合理的目的，因此进行网架结构的优化设计非常必要。
　　
　　网架结构是中国空间结构中发展最快，应用最为广泛的结构形式。网架结构的主要特点有:空间工作，传力途径简捷，重量轻，刚度大，抗震性能好，施工安装简便，网架杆件和节点便于定型化、商品化、可在工厂中成批生产，有利于提高生产效率，网架的平面布置灵活，屋盖平整，有利于吊顶，安装管道和设备，网架的建筑造型轻巧美观，便于建筑处理和装饰。
　　
　　传统钢网架结构设计的基本方式为：首先设计规划、选定网架形式及其使用的材料，再根据同类结构以往经验，假设网格尺寸、网架高度以及杆件截面形状与截面面积等，并在此基础上进行结构分析，然后验算整个网架结构及其组成构件是否满足强度、刚度和稳定性设计要求等。但假若我们发现计算的截面和假定的截面有很大不不同，那就必须要重新来过。在按照传统设计方法对钢网架结构进行设计的时候，一般会经过一个很繁杂且不连续的设计过程，没有达到结构设计最优的目的。显然，为了降低网架结构的工程造价，可以采用优化设计的方法来减少结构用钢量，另外，在一定程度上也可以对结构的受力合理性进行优化分析。
　　
　　二、钢网架结构设计方法
　　
　　1. 网架结构杆件设计
　　
　　一般工程中大多数网架结构所采用的材料均为钢材，采用Q235和Q345钢居多，这两种钢材的优势在于：钢材力学性能、焊接性能都很好，材质也相对比较稳定。杆件具有很多的截面形式，但这其中主要以空腹载面是最好的，如圆钢管，方钢管，这两种截面各向惯性矩均大，对受力有利，此外空腹截面封闭后内部不易腐蚀，表面也难以积灰和积水，具有较好的防腐性能。
　　
　　2. 网架结构节点构造的设计
　　
　　网架结构的节点是连接交汇杆件、传递荷载的重要环节，进行合理的节点设计对网架结构的安全性能、制作安装、工程进度和工程造价都有着极其重要且直接的影响。网架结构的节点分为内部节点和支座节点两大类，其设计和构造都应该遵循受力合理、传力明确可靠、构造简单、制作安装方便等规定，网架结构节点分为几大类，分别是焊接钢板节点、焊接空心球节点、螺栓球节点、直接相贯节点及焊接钢管节点。
　　
　　支座节点是网架将荷载传递给下部结构的连接件，是支承结构上的网架节点，我们在针对网架进行内力分析的时候，都要对支座节点加设一定的约束，这些约束一般可以分为可动铰支承，不动球铰支承和不动圆柱铰支承三大类。焊接空心球节点是我国较早应用的节点之一。它可以是不加肋的空心球，也可以是加肋空心球，两个半球的焊接以及两个半球与加肋圆环焊接构造。螺栓球节点可以说是我国应用最为广泛的节点形式，它由钢球、螺栓、套筒、销子和锥头或封板组成，适用于钢管连接。
　　
　　3. 网架结构设计注意事项
　　
　　网架结构设计有一些注意事项需要我们认真了解。我们要注意制作工艺的可行性，力求安装的方便，还要关注网架的单位含钢量。从细节上来说，这包括支座的安装难易以及网架锥体的杆件的大小。如网架工程中如采用上弦球作支点并同时用肋板式支座，可能发生网架腹杆套筒与支座肋板空间冲突。所以，在网架设计、制作和安装的过程中，我们应注意根据实际情况，采取切实有效的措施， 既保证结构强度在求，又便于施工，保证工程进度。
　　
　　三、网架结构的优化设计
　　
　　对钢网架结构的优化设计，主要包括网架类型优化、网架跨度优化及网架高度优化。不同网架类型在同样跨度、厚度和网格尺寸以及约束条件下，所得到的用钢量也不相同。当采用正放四角锥网架、斜放四角锥网架、抽空四角锥网架和棋盘四角锥网架4种平板网架类型时，用钢量较低，为网架结构设计时比较理想的结构类型。网架跨度大小直接影响最优网架厚度和网格尺寸的选择。随着网架平面尺寸的增大，网架结构的最优厚度和最优网格大小呈增大趋势。遗传算法优化网架结构高度，适用于不同的边界条件、不同支撑方式以及承受不同荷载的网格结构能够进行全局寻优，避免结果陷入局部最优解能够节约用钢量，结果可靠，可用于实际工程中。
　　
　　网架优化设计时，可以利用一系列的优化设计方法，如准则方法、数学规划法和系统迭代优化设计方等法。这些优化设计方法均是以网架结构的重要特征参数作为优化变量，以结构用钢量大小和受力特性的组合作为目标函数进行的优化迭代过程。具体来看，准则方法从结构力学原理出发建立一些最优准则以寻求用解析形式表示的结构设计的参数，或者通过直观的迭代运算决定结构各单元的截面参数。而数学规划方法是从解极值问题的数学原理出发，运用数学规划中的各种方法，求得一系列设计参数的最优解。系统迭代优化设计方法首先对结构进行有限元分析，获得各部分构件的内力。并依此内力作为条件分别对各部分构件进行局部优化设计，得到本轮次的构件；在下一个轮次时，将上一轮次得到的构件重新形成新的网架，对新的网架进行有限元分析，判断其最大挠度是否满足规范要求。
　　
　　需要注意的是，优化设计的结果只是数值计算的结果，由于优化时优化参数、优化目标函数及计算程序能力的限制，不可能让优化设计做到完美无瑕，还必须结合网架结构的设计和构造经验对优化结果进行调整，使得设计结果更贴切经验和实际。
　　
　　总之，空间钢网架结构作为一种建筑造型美观，经济指标优良的结构形式，已被广泛应用于工业及民用建筑领域的，给网架结构的发展带来了极大的市场。随着网架优化设计方法的实施，网架的经济型和受力合理性将得到最大的体现。