工业厂房排架结构设计优化价值及路径研究

刘睿

河北建筑工程学院，河北张家口，075000

0 引言

大型工业厂房中的排架结构设计是工厂重要的生命线工程之一，主体建筑结构的安全直接关系到工厂的正常运作。厂房的钢弯框架结构实际上是一种空间结构体系。不同的弯架柱与弯架结构的顶板相连，使柱子共同工作，共同承受荷载。由于标准化程度高、工期短，工业厂房的框架结构得到了广泛的应用。在20世纪最后10年，钢结构排架柱被中国的重型厂房采用。随着钢材产量的增加，越来越多的轻型厂房也采用钢结构排架柱，主要是带牛腿的变截面柱。在屋面自重或其他活荷载和集中风荷载作用下，钢弯框架柱可简化为带压杆的模型，即顶部承受横向集中力的悬臂变阶梯柱。厂房的钢架结构的设计具有便捷、环保以及经济的作用，正是因为厂房钢架结构具有这些显著的优点，因此工业厂房对于整个工业生产以及工业管理来讲是十分重要的。

1 工程结构设计优化的背景及钢结构排架研究

1.1 工程结构设计优化的背景

工程设计优化出现在20世纪中叶，几乎涉及土木工程、机械工程、工业和航空航天工程的各个行业[1]。这些应用涵盖了从钢材到飞机机翼等产品的完整系统和组件。在当今世界，优化已广泛应用于运筹学、人工智能和计算机科学，并用于开发管理领域和除工程以外的各种其他学科的流程。优化问题的目标函数表示要最大化或最小化的一些量，例如利润或成本。制定优化问题的数学模型的第一步是识别设计变量并根据这些设计变量描述约束。设计变量取决于问题的类别和要求。

当代结构优化起源1960年。早期的结构优化算法基于数学规划技术。结构设计问题被表述为决策问题，其中目标函数被选为结构的最小成本或重量[2]。将位移和许用应力约束引入数学模型。结构构件的横截面积被视为设计变量。这种表述已经将结构设计问题转变为决策问题。这些结构设计问题中的设计约束是设计变量的非线性函数。基于能够处理离散变量的数学编程技术的技术很复杂，并且不容易为编程编码。

在我国，钢结构住宅系统的开发和应用还处于初级阶段。1950年以来，我国钢结构迎来了初步发展。多层和高层民用钢结构住宅与发达国家相比还有很大的进步空间[3]。20世纪80年代以来，我国钢结构迅速进入发展阶段，多层民用钢结构住宅逐渐开始出现。21世纪初，数十项钢结构住宅科研项目通过建设部审查，最终确定了北京首个钢结构住宅产业化，形成科技示范工程。此后，一大批钢结构房屋试点项目层出不穷[4]。此外，一些大型国有企业和新兴民营企业也开始涉足钢结构产业的研发。建设部、同济大学、天津大学等国家建设部门和重点高校奠定了坚实的理论分析和研究基础，使钢结构住宅在实践中得到更好的应用。当然，这也离不开国家建设和科技发展部门的积极推动。为发展国内钢结构而成立的中国钢结构住宅协会，在建设部的积极推动下应运而生。全国各地也倾尽全力，不断探索发展道路，举办各类研讨会，并在实践中建设了一些实验房，如工业厂房。工程结构设计优化的背景影响下，对工业厂房排架结构进行设计研究进一步发挥了优化后的排架结构的价值。

1.2 钢结构排架相关研究

在钢弯架柱受力方面，学者通过单层厂房设计详细阐述了平面弯架，确定了示意图荷载计算程序、柱截面内力分析、内力组合，但没有给出模型简化的理论公式。 M.Rezaiee-pajand讨论了框架系统在重力和横向载荷下的支撑性能，并应用虚拟功法解释和计算了框架在横向载荷下的位移[5]。他们的研究重点是分析具有功能梯度截面的锥形梁柱。使用两种不同的方法，分析中考虑了连接的二阶效应和灵活性。然而，没有研究扭转和弯曲变形的影响。在工业厂房的排架结构研究中，学者介绍了 MS-TMM 用于分析罕见地震期间新型单层框架弯曲结构的弹塑性响应。弹塑性反应谱直接用于抗震设计，计算结构在罕见地震作用下的弹塑性反应。通过理论分析推导出弹塑性反应谱的一般表达式，提出弹塑性反应谱在地震作用计算中的应用方法，但没有提出框架的确切性函数。在屋面自重或其他活荷载和集中风荷载作用下，钢弯框架柱可简化为带压杆的模型，即顶部承受横向集中力的悬臂变阶梯柱。

至于压杆，欧拉和拉格朗日首先分析了直杆在端载荷作用下的非线性屈曲。后来，许多研究人员也进行了相关研究。其中，Griner成功地提出了直杆受压耦合弹性的参数化解[6]。基于弹性力学理论，给出了带弹性支撑的连续杆非线性屈曲分析问题的参数化解。通过假设压缩力和抗弯刚度可能从一个跨度到另一个跨度变化，提出了弹性支撑上的弹性连续杆在终端压缩力下的非线性和屈曲分析。建立了每个变形构件的强非线性平衡微分方程，并通过方便的边界和相容条件，建立了具有未知数的方程，进一步丰富了一组三矩方程，并提出了一种欧拉弹性泛函的快速算法，其中欧拉弹性泛函被重新表述为一个约束最小化问题。结合增强拉格朗日方法和算子分裂技术，由此产生的鞍点问题通过一系列子问题来解决。然而，在他们的工作中没有考虑到可变截面构件和塑性变形。

2 大型排架结构工业厂房的设计要点

2.1 排架基本结构

大型工业厂房中的排架结构设计是工厂重要的生命线工程之一，主体建筑结构的安全直接关系到工厂的正常运作。因此，工厂的主体建筑结构必须具有足够的抗震能力。接头是整体结构中连接梁柱的关键部件，是整个结构构件的传动枢纽。因此，安全可靠的接头是结构正常工作的前提。主厂房结构包括结构和承载性能复杂的异常节点。在这些大型厂房的排架结构当中，主要的承重是由纵向和横向的排架结构所承担的，他们在大型厂房的排架承重中承担着最基本和最根本的承重作用。在横向平面排架的布局中，横向平面排架能够将大型厂房结构中的大部分力量向地基等纵深进行延伸，从而有效地保证了大型厂房平面排架结构布局的稳定性和耐久性。平面钢结构弯架计算在工业厂房设计中占有重要地位。带牛腿的钢弯框架柱是在变轴力作用下的弯曲构件。柱顶承受屋面结构自重、屋面活荷载、雪荷载和纵向力，包括纵向地震力、集中风荷载，其特点是上部和下部的部分中上部的长度和载荷远小于下部。工业厂房的钢弯框架结构实际上是一种空间结构体系。不同的弯架柱与弯架结构的顶板相连，使柱子共同工作，共同承受荷载。在20吨以内的起重机的厂房钢架中，采用带牛腿的变截面柱来承受起重机载荷[7]。

2.2 大型排架结构的计算方法

目前市面上的大多数大型排架结构工厂对于厂房的设计一直都遵循着这样的设计理念，那就是方便计算，厂房的设计者们通常会基于各个不同的横向平面排架之间都是互不关联的假设，这些各不相同的横向排架结构之间都是互相独立进行工作的[3]。通常情况下，由于大型厂房在设计上呈现出横向排列的特点，导致厂房长度较长，因此那些纵向排列的柱子比较多，这也就导致了这些纵向排列的柱子在水平方向上所承受的力比较小。

2.3 设防强度

地震烈度是指某一地点地震振动的强度，也可以理解为地震场的强度。由于地震具有很大的随机性，根据50年设计基准期内的发生概率可将其分为基本烈度（10%）、频繁烈度（63%）和罕见烈度（2%）[8]。建筑抗震设防目标和设计方法中抗震规范GB50011采用建筑物的“三级”抗震设防目标：第一级，经常发生地震烈度低于该地区抗震设防烈度时，仍可不损坏、不修缮使用；第二级，当遭受与该地区抗震设防烈度（基本地震烈度）相当的一定程度的破坏时，不予修复或一般修复后仍可使用；第三级，发生预估罕见地震烈度高于该地区抗震设防烈度时，不应倒塌或对人身安全造成严重损害[9]。

结构抗震设计分析方法中常用的是反应谱法。反应谱法是根据实际地震过程中单个质点弹性系统的响应来分析结构响应。根据该理论，利用地震谱曲线可以根据实际地震动计算建筑物的响应。所谓响应谱曲线，就是单个质点弹性系统对实际地震动的最大响应与系统自振周期之间的函数关系[10]。

3 优化工业厂房排架结构设计的策略

3.1 优化工业厂房排架结构的选型与方案设计

厂房的钢架结构设计具有便捷、环保以及经济的作用，正是因为厂房钢架结构具有这些优点，因此工业厂房对于整个工业生产以及工业管理来讲是十分重要的[11]。工业厂房建设在其中起到了举足轻重的作用，因此我们在建设时不仅仅只是满足建设的基本要求，同时还要注重工业厂房钢架结构建设的科学性和合理性。工业厂房的排架的选型与设计方案的制定过程中，要依据工厂的实际情况制定相应的方案。在设计的过程中要考虑厂房的抗震的强度。在选址方面，设计人员要勘察选址地区的地质结构，分析工业厂房的位置、建面、建筑材料等要素。除了实地勘察调研，设计者需要在前人经验的指导下，参考他人经验进行排架设计，如参考他人的设计指导书，同时设计者要制定出符合本工厂排架设计的指导书，以为建筑工人提供专业的指导，保障各项工作的顺利进行。当制定出排架设计的方案后，要将方案提交到参建的项目单位，使项目有序开展。

3.2 要加强对厂房钢架结构设计质量的重视

在工业厂房钢架结构的建设中，钢架结构的材料选择尤为重要，这关系到整个工厂的安全[12]。钢材作为整个工业厂房建设中最为经济性以及实用性的建筑材料，同时其应用的广泛性也受到了大多数建筑结构的青睐。钢架结构作为一种设计比较合理、科学的工业厂房设计结构，其在厂房的安全性上表现得十分优秀。但是在工业厂房钢架结构中，大量使用钢材也会导致此种排架结构消耗大量的人力资源以及时间。这就导致了在厂房钢架结构设计中，有一部分的设计人员出于追求效率和便捷性的原因，而直接照搬或者是参考其他国家在工业厂房钢架结构设计中的有关方案。这种直接照搬或者是参考其他设计的做法，没有考虑到工业厂房钢架结构建设的实际和工厂建设的具体要求，导致工业厂房钢架结构设计的有关方案在实践操作层面可行性非常低。另一方面，也导致了在实际的钢架结构建设过程中造成了人力、物力以及财力的大量浪费[9]。因此我们在建设工业厂房的钢架结构时，要保证钢架结构材料选择的合理性。保证工业厂房钢架结构设计达到基本要求的基础上，着重提高工业厂房钢架结构设计的质量和使用性能。

在排架柱方面，工业厂房在设计上对于竖向的负荷要求一般都不大，并且在竖向的负荷上混凝土能够承受较大的承载力，因此在建造结构的选择上适宜采用工型柱这种结构[13]。工型柱不仅能够极大地减轻自身材料的重量，同时还能够降低成本用料，对于整个建造结构的受力也更加有利。在纵向平面排架的设计中，要确保工业厂房排架设计中的刚度，保持其纵向的稳定性，如图1所示。

图1 纵向排架示意图

3.3 使用优化结构设计算法

优化结构设计算法为工业厂房排架结构的设计提供了有用的工具。该算法可以确定钢结构排架柱构件的最佳拓扑结构、最佳几何形状和最佳钢材，使得钢结构排架柱可以使用足够的钢材而不浪费更多的钢材来建造。结构设计优化实现了这些目标，使得钢设计标准定义的设计约束在施加的载荷下得到满足，并且所考虑的钢结构排架柱的重量或成本最小。在制定时，可以将结构优化问题分为两类：在某些设计问题中，设计变量可能具有连续值；但在其他一些情况下，要求必须从一组离散值中选择设计变量的值。

4 结语

通常情况下，由于大型厂房在设计上呈现出横向排列的特点，导致厂房长度较长，因此那些纵向排列的柱子比较多，这也就导致了这些纵向排列的柱子在水平方向上所承受的力比较小。优化结构设计算法为工业厂房排架结构的设计提供了有用的工具。工业厂房建设在其中起到了举足轻重的作用，因此我们在建设时不仅仅只是满足建设的基本要求，同时还要注重工业厂房钢架结构建设的科学性和合理性。工业厂房的排架的选型与设计方案的制定过程中，要依据工厂的实际情况制定相应的方案。在致力于工业厂房的钢架结构建设时，要保证钢架结构材料选择的合理性。保证工业厂房钢架结构设计达到基本要求的基础上，着重提高工业厂房钢架结构设计的质量和使用性能。