大跨度钢结构厂房设计中节点连接方式的优化研究

刘松，王晖，赵英伟

（1.烟台建联勘察设计审查服务中心，山东 烟台264000；2.烟台化工设计院有限公司，山东 烟台264000）

1 大跨度钢结构厂房设计中节点的连接方式

1.1 刚性连接和非刚性连接

当大跨度钢结构厂房受到荷载作用时， 节点连接有着非常重要的作用，其刚性和变形能力都会影响整个结构的性能，因此，根据节点连接处的要求和荷载情况，需要选择合适的连接方式。

1）刚性连接要求节点连接处的刚度和强度足够大，以确保节点处的变形和位移尽可能小， 从而保证整个结构的刚度和稳定性；刚性连接通常采用焊接和高强度螺栓连接等方式；在节点连接处，通常会对构件进行预处理，例如，对构件进行削角、端部加厚等加强措施，以增加连接的强度和刚度；刚性连接通常适用于受到静载荷或者变形要求较小的结构， 如桥梁、厂房等。

2）非刚性连接要求节点连接处具有一定的变形能力和位移能力，以消除结构受荷时的变形和应力集中；非刚性连接通常采用高强度螺栓连接、剪力连接和框架式连接等方式，这些连接方式都具有一定的伸缩性和变形能力， 可以有效减小结构的应力集中，并防止局部构件因应力过大而失效；非刚性连接通常适用于受到动荷载或者变形要求较大的结构， 如高层建筑、体育馆等。

1.2 螺栓连接和焊接连接

螺栓连接方式是将螺栓穿过连接的构件， 在另一侧安装螺母，通过螺栓和螺母的摩擦力将构件连接在一起。 由于螺栓连接方式可以通过拆卸螺栓和螺母来解除连接，因此，可以方便地对结构进行调整、更换或修理。 该连接方式不需要使用高温和高压力进行连接， 可以在现场进行安装， 不需要特殊设备。 焊接连接方式是通过在连接处使用电弧焊、气焊或者激光焊等方法将构件焊接在一起，连接强度通常比螺栓连接高，焊接连接方式不会存在由螺栓和螺母之间的摩擦力而引起的轻微松动，因此，节点处的刚度和稳定性通常较好，不必额外进行维护和调整[1]。虽然螺栓连接方式和焊接连接方式都具有一定的优点，但也存在一些缺点。 例如，螺栓连接方式在受到动载荷作用时容易产生松动和脱落，而焊接连接方式无法拆卸和调整，对结构的改造和维护有一定的限制。 因此，在实际工程中需要根据结构的具体情况和要求选择合适的连接方式。

1.3 直接连接和间接连接

直接连接是指直接将两个构件的端部连接在一起， 如对接焊缝连接。 直接连接方式通常是先通过对两个构件的端部进行加工处理，如去除污垢、油漆等，然后将其对接起来，并进行电弧焊接或气焊接。 直接连接方式构件间连接紧密，节点处不会存在连接件的干扰，连接结构简单、紧凑，且节点连接强度高、刚度大。 间接连接是通过其他构件来实现连接，如框架式连接方式。 间接连接方式通常是通过在两个构件之间加入其他构件，如钢板、梁、柱等，通过焊接或螺栓连接起来，可以起到一定的防震和抗变形的作用，通常使用螺栓连接，可以方便地进行拆卸和调整。 此外，间接连接方式可以通过添加其他构件，如钢板等，起到美观和装饰的作用。

1.4 动态连接和静态连接

静态连接通常指节点连接处变形和位移较小，例如，结构自重作用下的节点连接。 在这种情况下，节点处的变形和应力集中相对较小，节点连接方式通常采用螺栓连接，或者焊接连接等方式。 静态连接方式具有以下特点：（1）构件间变形和位移小，节点处应力分布相对均匀；（2）连接方式通常采用螺栓连接或者焊接连接等方式， 以满足节点处的强度和稳定性要求；（3）对节点连接处进行调整和拆卸相对容易。 动态连接通常指节点连接处存在较大的变形和位移，例如，风荷载作用下的节点连接。 在这种情况下，节点处的变形和应力集中相对较大，节点连接方式通常采用弹性支撑或者高强度锚栓等方式。动态连接方式构件间变形和位移较大，需要采用具有一定变形能力的连接方式，通常采用弹性支撑或高强度锚栓等方式，可以使节点处具有一定的变形能力和位移能力， 从而降低节点处的应力集中，但是对节点连接处进行调整和拆卸相对困难[2]。

1.5 混合连接方式

在大跨度钢结构厂房设计中， 混合连接方式是一种将两种或多种不同的连接方式进行组合， 以充分发挥各自的优点和特点的连接方式。 混合连接方式通常适用于某些节点连接处要求较高的情况，例如，强度、刚度和变形能力等。 混合连接方式可以是不同种类连接方式的组合，例如，将螺栓连接和焊接连接方式组合在一起； 也可以是同种连接方式的不同形式的组合，例如，在强度要求高的节点连接处可以使用高强度锚栓和钢板相结合的方式。

2 节点连接方式的优化设计方法

2.1 极限状态设计法

极限状态设计法是一种基于性能的设计方法， 通常适用于大跨度钢结构厂房等对连接节点强度和稳定性要求较高的结构。 该设计方法主要基于结构在极限状态下的性能要求，以确定节点连接方式的强度和稳定性， 确保结构在荷载作用下不会出现破坏或失效。 极限状态设计法旨在确保结构在极限状态下的性能要求，通常采用可靠性理论，考虑结构荷载和材料的不确定性因素，以及结构的安全和可靠性要求。 在大跨度钢结构厂房的节点连接设计中， 极限状态设计法是一种常见的设计方法，应用过程中需要符合相关标准和规范的要求，以确保结构的安全和可靠性。

该方法的应用步骤为：（1） 考虑结构所受的荷载特点，包括静载荷、动载荷、风荷载、地震荷载等，同时根据结构的安全和可靠性要求，确定结构的极限状态要求；（2）结合结构荷载特点、连接节点的强度和稳定性要求等因素，选择合适的连接方式和材料，常见的连接方式包括膨胀锚栓连接、高强度螺栓连接、焊接连接等；（3）进行节点连接的设计和验证，以确定连接的强度和稳定性是否满足结构的要求[3]，同时需要考虑连接的预紧力、焊接质量等因素，以确保连接处的安全性和可靠性。

2.2 可靠度设计法

可靠度设计法是一种基于概率统计理论的设计方法，旨在确保结构在使用寿命内的安全性和可靠性。 该方法通过考虑结构荷载、材料特性、连接方式、施工质量等多种因素的不确定性，以及结构在使用过程中的疲劳、腐蚀等因素的影响，评估结构的可靠度水平，并根据结构的安全和可靠性要求，确定节点连接方式和规格。 可靠度设计法具有较高的精度和可靠性，但需要进行较为复杂的计算和分析。 在节点连接设计阶段， 可靠度设计法可以通过对节点连接的概率分析和模拟计算，评估节点连接在不同荷载下的可靠度水平，评估结果可以指导节点连接的设计方案，从而提高连接的强度、稳定性和可靠性；还可以采用概率方法对节点连接进行可靠度计算，分析节点连接在不同荷载下的可靠度水平， 评估结果可以用于节点连接的强度校核和优化设计， 以提高节点连接的可靠性和安全性[4]。

2.3 遗传算法

使用遗传算法对大跨度钢结构厂房节点连接进行优化时，需要根据具体的问题定义适当的目标函数和约束条件。 一般而言，目标函数包括节点连接的强度、刚度、稳定性、可靠度和经济性等多种性能指标。 而约束条件则包括结构限制、工艺限制、材料性能限制和规范限制等。 在节点连接设计阶段，遗传算法可以用来搜索设计空间， 从而得到最优的节点连接方式和规格，通过对节点连接的参数进行编码，将设计问题转化为优化问题，然后采用遗传算法进行搜索和优化，优化结果可以用于节点连接的设计方案， 确定合适的节点连接方式和规格。 之后，将节点连接的强度作为目标函数，将节点连接的参数作为优化变量，采用遗传算法进行搜索和优化，得到最优的节点连接方式和规格，同时，采用遗传算法进行灵敏度分析和多目标优化，提高节点连接的可靠性和优化效果。 在节点连接优化阶段，可以将节点连接的性能指标作为目标函数，将节点连接的参数作为优化变量，采用遗传算法进行搜索和优化，得到最优的节点连接方式和规格。 同时，还可以采用遗传算法进行多目标优化，兼顾节点连接的强度、稳定性和可靠性等多种性能指标。

2.4 粒子群算法

粒子群算法是一种基于群体智能的优化算法， 其基本原理是模拟鸟群或鱼群在群体中的行为， 通过群体智能对解空间进行搜索和优化。 在大跨度钢结构厂房节点连接优化中，可以将节点连接方式和规格作为设计变量， 采用粒子群算法对这些设计变量进行优化，以寻找最优解；通过全局搜索，发现更优的节点连接方式和规格组合， 从而提高节点连接的可靠性和成本效益。 粒子群算法能够精确地搜索解空间，并得到较高的搜索精度，在大跨度钢结构厂房节点连接优化中，通过对节点连接方式和规格进行优化， 可以得到更加精确的节点连接方案，满足结构的性能和安全性要求，同时又能达到经济和实用的目的[5]。此外，节点连接方式和规格是设计变量，通过对这些设计变量进行优化，可以得到更好的节点连接方案。 通过更好地发掘设计空间，可以使节点连接方案更加多样化，同时能够满足不同的结构性能和经济要求。

2.5 蚁群算法

蚁群算法是一种基于群体智能的优化算法，其基本原理是模拟蚂蚁在寻找食物时的行为，通过信息素和启发式规则指导搜索和优化。当应用蚁群算法来优化大跨度钢结构厂房的节点连接时，通常会根据具体的设计目标和要求，将节点连接方式和规格作为设计变量，然后，通过逐代地更新信息素和启发式规则，让蚂蚁不断在解空间中搜索，从而找到最优的节点连接方案。 在蚁群算法中，蚂蚁会根据当前信息素的浓度和启发式规则来选择下一个节点连接方案，从而不断探索解空间中的可能性。由于蚁群算法具有较强的全局搜索能力和较高的搜索精度，可以更好地发掘设计空间，因此，蚁群算法可以在大跨度钢结构厂房节点连接优化中发挥重要作用。 例如，通过调整蚁群算法的参数，实现更快速和准确搜索。此外，将蚁群算法与其他优化算法相结合，也可以实现更好的优化效果。

3 结语

本文探讨大跨度钢结构厂房节点连接的优化设计方法，通过对基于性能的设计方法、可靠度设计法，以及基于优化算法的设计方法等多种优化设计思路和方法进行总结和探讨，为大跨度钢结构厂房的节点连接优化设计提供参考和借鉴。节点连接作为钢结构的关键部分， 对结构的安全性和可靠性起着至关重要的作用，在实际应用中，需要根据具体问题的特点和要求进行适当的改进和优化， 以提高算法的效率和优化结果的可靠性。