建筑钢结构优化方法探讨

肖晨晨

（宁夏农垦勘测设计院（有限公司），银川 750000）

1 工程概况

以宁夏兴垦牧业有限公司第二奶牛场建设项目为例，展开建筑钢结构设计的优化方法探讨， 以期在实际的工作中，能够做好钢结构的合理控制，更好地发挥钢结构的功能和作用。

在本工程建设中，主要包括如下相应内容。

1）养殖生产区：建设泌乳牛舍10 栋，建筑面积123264.00m2；已孕青年牛舍1 栋，建筑面积13 824.00 m2；综合牛舍1 栋，建筑面积13 824.00 m2；干奶牛舍2 栋，建筑面积27 456.00 m2；后备牛舍5 栋，建筑面积30 212.00 m2；断奶犊牛舍6 栋，建筑面积17 640.00 m2；双80 位转盘挤奶厅（含兽医诊断室）2 栋，建筑面积15 394.74 m2；特需挤奶厅（2×24 并列式）1 栋，建筑面积1 512.00 m2；并设有转群通道和挤奶通道。

2）饲料加工区：建设干草棚6 栋，建筑面积16 200.00 m2；青贮平台2 座，建筑面积83 238.00 m2；机修车间1 座，建筑面积1 386.00 m2；TMR 固定搅拌站1 座。

3）管理生活区：建设管理用房2 座，建筑面积8 859.44 m2；餐厅1 座、建筑面积1 115.55 m2；消毒更衣室1 座，建筑面积为840.42 m2；设备用房3 座，建筑面积234.00 m2；蓄水池、消防水池1 座， 建筑面积3 118.78 m2（其中地上水泵房面积为65.65 m2）。

4）粪污资源化利用区：粪污收集和微滤系统，BES 卧床垫料再生系统、挤奶厅废水净化系统，总占地面积约14 666.67 m2。

表1 为本工程的主要技术指标情况。 表2 为本工程主要研究对象单体功能表。

表1 本工程的主要技术指标情况

表2 本工程主要研究对象单体功能表

按照本工程的基本情况， 对本工程钢结构牛舍部分的设计进行研究分析，确保实际工作中能够采取合理的优化方法。

2 钢结构设计优化

2.1 钢结构的构件设计优化

1）材料的选择：一般钢材选型有Q235B 和Q355B。 由于牛舍在使用要求上的限制， 中柱截面不宜过大， 考虑经济适用，本工程选用钢材型号为Q355B。 为了便于制作安装，通常主要承重构件选用单一强度。 当强度起控制作用时， 可选择Q355B；稳定控制时，可选择Q235B。

2）截面选择：门式刚架结构通常宜选择H 形钢。H 形钢柱的翼缘要具备一定的宽度， 以满足钢架在平面外的稳定和长细比要求。 本项目根据使用功能要求，中间立柱较多，故边柱采用H 形钢，中柱采用钢方管，并采用在中柱增加斜撑方法来满足计算要求，从而达到经济适用稳定美观的效果[1]。

在具体计算中，可根据项目需要，通过加大翼缘厚度、加大腹板厚度、加大截面的高度、增加斜撑、变截面分段等方法来满足计算要求。

2.2 钢结构的节点设计优化

连接节点的设计是钢结构设计中重要组成部分。 在节点的设计与优化过程中，首先结合施工工艺水平、施工空间等因素，并注意节点的科学选择，建立模型分析节点受力，立足实际优化设计节点的合理控制，对节点的形式合理确定，保证现场能够方便有效实现。 节点的连接方式不同，对结构计算影响较大，按传力特性不同分为刚接、铰接和半刚接。

按连接形式分有焊缝及螺栓连接。 焊接节点强度高、韧性塑性高但焊接处易生锈，不易拆卸，对焊接焊缝应严格按照相应规范要求，不得任意加大焊缝。 焊条的选用应和被连接金属材质适应。 E43 对应Q235，E50 对应Q355。 要注意的是Q235与Q355 连接时，应该选择低强度的E43。 螺栓连接的主要构件采用高强螺栓，施工快捷、拆装方便，但易松动、制孔精度较差。 节点优化设计过程中，需要对钢结构进行控制，降低钢结构的隐患发生，结合实际情况，避免钢结构的隐患发生[2]。

2.3 钢结构建筑材料的设计优化

为了实现对钢结构的合理设计优化， 还要对钢结构材料进行合理的选择。 在本次项目设计中， 对屋面板材料进行优化，采用屋面板和光伏一体化的方法，进一步提升钢结构的设计效果。 主要是对南侧屋面进行了优化设计，既具有光伏发电功能，又能承担建筑构件和建筑材料的作用。 BIPV 光伏瓦直接安装在屋顶檩条上，实现屋顶防火、防水、隔热保温、承重功能，具有高寿命、高发电、低压安全、智能化、免维护等优点。

屋面做法如下：北侧屋面覆盖材料采用100 mm 厚双层压型钢板复合保温屋面+0.6 mm 厚外板+100 mm 厚玻璃丝绵（密度24 kg/m3）+0.5 mm 厚内板。南侧屋面覆盖材料光伏板外板+50 mm 厚玻璃丝绵（密度24 kg/m3）+ 贴面，光伏板密度≤25 kg/m2。 本工程采用“自发自用，余电上网”模式，实现屋顶防火、防水、隔热保温、承重功能，具有高寿命、高发电、低压安全、智能化、免维护等优点，可以更好地促使本工程能够满足奶牛场的功能得到合理提升[3]。

3 钢结构在施工过程中优化研究

结合宁夏兴垦牧业有限公司第二奶牛场建设项目施工现场实际情况， 从以下几方面对本工程钢结构的优化设计进行分析研究。

3.1 预防错位和变形

钢结构优化设计中，可以应用预防错位和变形措施，使得钢结构可以更好地为建筑工程服务， 实现建筑工程的持续健康发展。 为了避免错位和变形，需要对不连续部位进行控制，因为这部分容易出现损伤和裂缝， 给钢结构功能和服务作用带来影响。 所以，为了保证钢结构的设计效果，建议加强钢结构错位、变形的控制，以此保证钢结构连续性。 钢结构焊接过程中，需要经常翻动，这样可以合理抵消变形，进而保证焊接效果。 另外，进行大尺寸焊缝时，建议选择分段、分层、间断焊接的方式，其间需要控制好电流、焊接速度，使最终焊接效果满足实际需求。 焊接后容易出现主角变形的零部件，建议施工人员在焊接前做好零件预变形处置。例如，钢板的V 形坡口对接，可在焊接前适当垫高接口，达到焊后变平的效果。 采用手工焊接方法，建议进行间断焊接，尤其应注意工件中间向两头的焊接，需要进行退焊处理，焊接人员保证对称分散分布，确保焊接工艺满足要求。 通过上述措施，可以有效控制钢结构的错位和变形，确保钢结构的功能和质量。

另外，钢结构的设计中，还需注意到钢结构的连续性，设计人员仔细对比设计图纸和规范要求。 本工程钢结构优化与设计过程中，通过预防错位与变形控制，使钢结构稳定性得到显著提升[4]。

3.2 预防应力集中的问题

结合本工程基本情况，钢结构设计优化，应重点控制预应力集中问题。 预应力集中问题是钢结构设计中的关键问题，关键在于确定预应力参数。 但因节点处理不到位，或是制作工艺不合理， 很有可能导致预应力集中的情况， 甚至造成结构损坏。 对于此，建议采取如下防御措施：第一，受弯曲的梁翼板边缘不能有缺口和毛刺等，施工时使用模切割法，切割压缩型的刚断面，并注意半自动气切割机切割板材时，应保证板材边缘具有较好的平整性和圆润性；第二，应力集中预防需要采取表面强化的方法，例如，使用表面喷丸、滚压和氮化等措施，提高材料表面抗疲劳强度，达到预防应力集中的目的；第三，提高应力区的应力，尤其是低应力区的缺口、圆孔，确保低应力区向高应力区实现应力的平稳过渡。

3.3 预防脆性断裂的问题

脆性断裂问题不能得到合理控制， 将造成钢结构脆性断裂，产生十分严重的后果。 控制脆性断裂的过程中，施工人员需要重点保证选材与结构设计的合理性，还要对焊接缺陷进行控制，使钢结构的可靠性得到提升。 焊接过后，施工人员分析气候因素，合理利用低氢焊条，避免应力集中现象。 当焊接完成后，施工人员需要科学进行消氢处理，有效预防脆性断裂问题。

3.4 预防层状撕裂问题的预防

为了实现对钢结构的优化设计， 需要有效预防层状撕裂问题。 钢材层状撕裂，也可称之为夹灰，情节严重将会影响钢材的强度，不利于钢材功能和作用的体现。 所以，针对层状撕裂问题的预防，需要选择合适的坡口，且在焊接处理之前，采取超声波探伤检查方法，避免出现分层或裂纹。 另外，施工人员还可以采用低氢焊条，预防、解决层状撕裂问题[5]。

3.5 残余应力的合理控制

钢结构优化设计必须结合实际，合理控制残余应力。 因为残余应力可能影响到钢结构的刚度性能，所以在控制中，建议施工人员重点分析焊件薄弱的点位，避免出现裂缝。 例如，部分弧形构件的加工尺寸不合理，或是在组装环节使用油泵、千斤顶等工具装配，面临焊接电流过大的状况，也会影响焊接效果，继而造成残余应力。 总结处理方法，建议采用热处理法和加载法。 为了保证残余应力控制的合理性， 还可以选择回火法，有利于优化钢结构性能。

4 结语

宁夏兴垦牧业有限公司第二奶牛场建设项目按照钢结构情况，提出了改进与优化的建议，经过改进的建筑钢结构稳定性得到提升，可有效延长其使用期限。

根据当地建筑钢结构施工建设要求制订改造优化方案，分别提出构件、节点、建筑材料的要求，即加大翼缘厚度、腹板厚度、截面高度等，方法满足计算结果，加强钢结构控制，应用“自发自用，余电上网”模式，延长钢结构使用寿命。

通过此次研究，按照既有建筑物钢结构优化设计要求，理论联系实际，切实减少了建设投资，满足了奶牛场项目的使用功能。