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摘要：通过工程实例，概述如何利用现有软件STS对轻钢屋架梁进行人为干预的优化设计。算例结果表明，利用该优化处理步骤，对钢架截面进行优化调整，具有明显的改善效果，有一定的实际运用的经济价值。
关键词：轻钢屋面钢架；截面优化设计；STS
一、 引言，
轻钢屋面由于其具备结构自重轻，抗震性能好，施工周期短等优势，普遍被运用于单层多层厂房、仓库、商业楼，办公楼及其他较大跨度的建筑屋盖结构。对于跨度较大的轻钢结构设计，初始计算时设计的屋面钢梁，往往截面较大，浪费钢材，因此人为干预的优化设计就显得非常必要，通过对钢架截面尺寸的二次优化，减轻结构自重，不但能加强钢架自身抗震性能，节约钢材，同时也减少了建设成本。本文将浅要概述如何利用现有软件，从参数设定开始运用程序进行人为优化设计的步骤。
二、 设计条件概况：
以本人设计的某厂无菌包装车间项目中屋面钢架梁GWJ4的设计为例，采用软件为STS。
1） 该项目处于III类场地上，基本地震加速度0.05g； 设计地震分组：第一组，本工程主体结构设计使用年限为50年；维护结构设计使用年限为15年；结构的安全等级二级，建筑抗震设防类别： 丙 类；设防烈度6度；
2） GWJ4为中间跨钢梁，类型为双坡、对称屋面，可参考图3，总跨度63m，单坡跨度31.5m.
3） GWJ4基本荷载参数为：屋面恒荷载（屋面板+檩条0.2 kN/m2、轻钢龙骨吊顶0.15 kN/m2灯具吊载0.1 kN/m2、+线缆风管吊载0.5 kN/m2）共计1.0 kN/m2 ； 屋面活荷载均为 0.50 kN/m2；基本雪压 0.45KN/m ，平面外纵向柱距7.5m综上，累计在钢梁上的均布恒荷载为7.5kN。均布活载为3.5kN，（由于使用要求，本工程不考虑屋面活荷载折减）
三、初始参数设定
1、材料选用，针对大跨度轻钢结构，由于钢梁上跨度荷载都相对较大，考虑到应力比，采用较高强度的Q345钢材，显然更为适宜，可有效减小构件截面，减轻自重。实践表明当截面受强度控制，选用Q345钢与Q235相比，屈服强度提高45%左右，采用Q345钢可节约15%～25%钢材。
因此本工程屋面钢梁钢材及节点板选用Q345B钢，其屈服强度 fy ≥ 345N/m2。屋面檩条则可选用选用Q235钢，其屈服强度fy ≥235N/m2。
2、采用较为合理的柱网布置，
本工程，钢架平面内总跨度为63.000，考虑到轻钢钢架经济跨度在24米～30米左右，故在不影响建筑使用功能的前提下，钢架平面内如图所示，设置为两跨钢架，单跨31.500m，纵向柱间距7.500，柱为混凝土柱，边柱高8.300m，中柱高，9.075m。
3、支承条件：钢架模型为：边支座钢梁与砼柱端铰接，中间支座钢梁与柱顶铰接，钢梁本身各节点均为固接，砼柱与基础均为固接。混凝土排架柱在钢架平面外用混凝土梁作侧向连接。
4、钢架梁节点分段，梁分段节点是钢梁截面优化中初始考量的重点，主要是根据钢梁初算后应力包络图表来确定的，左跨初始分段可预先划分比例为1：1：0.5（右跨为对称结构）。
5、经初步计算结果展示
经过程序STS半自动运算选取的截面如下：从左柱到中柱排序四段分别为
梁段1、2、3截面均为H1250x300x10x16
梁段4为H（1250～1550）x300x10x16
弯矩，剪力如下图（应力比图略）：
图1
图2
6、试算结果分析：
虽然所示截面计算结果显示，其能满足应力及变形的计算要求，但是计算结果同时表明端肢应力比0.37，明显截面过大，应进行必要的优化调整。
四 优化调整
根据弯剪内力包络图及绕曲变形指标，可通过以下步骤对初算结果进行优化调整
1、 优化节点排布比例，根据图示内力包络图的特殊控制点的相对位置，对节点间距的初始分段进行试算对比和二次微调，（过程略），通过调整，确定为9：9：8：5.5的节点分段比例，分段后钢梁分段节点与弯矩包络图更为匹配。实例结果表明通过调整节点距使之更贴合弯矩包络图能有效减少钢材用量。
注：虽也可通过增加节点个数调整，但这种做法会导致钢架分段数增加，同时增加连接节点，造成安装施工麻烦，因此并不建议增设节点数。
2、根据应力比控制，对钢梁截面进行二次调整，（本工程考虑根据可能的吊载分布不均，应力比控制在0.8左右），
计算方法为：
1） 设定预设值：利用程序试算结果先行确定钢梁经济翼缘宽度及翼缘厚度，（如程序初算结果很不理想，可自行预估），本工程试算预设值为翼缘宽度300mm，翼缘厚度暂定为12mm）注：参数设定时应符合模数。
2） 产生初始种群：分别用初算结果的各节点端弯剪值分别计算节点部位截面翼缘腹板截面高度及钢板厚度，获得一组参数种群。节点两端的腹板高度选用原则应符合下式：H=max{f1（M、b，hf1），f2（V、hw）}
3） 计算时设计计算顺序原则为，优先计算弯矩最大处位置截面确定分段钢梁端部腹板截面高度及板厚，然后向弯矩减小处推算。
4） 计算当前种群适应度比值，通过种群的当前全局最优位置，比较选取最优截面参数。
5） 根据变形绕曲值，对最优截面进行二次复核调整，有时截面虽满足应力比计算值，但对绕度变形值可能出现超限，同时应特别注意钢梁坡度改变率等的计算，避免超限。
注：上述计算过程也适用于采用对多元方程解系对目标优选函数的迭代方法，得出趋近最优解，实际设计过程中如遇到较复杂工程，该操作可能会较为繁琐，建议设计过程可配合利用STS对估算设计截面直接输入程序利用STS，进行运算，通过对运算结果比对，得到最优解，可节约大量设计工时。
五、优化成果图展示
优化后截面图
图3
截面优化前后对比表
结果比较 X1（截面） X2（截面） X3（截面） X4（截面） 经济性比较（总重）
优化前 H1250x300
x10x16 H1250x300
x10x16 H1250x300
x10x16 H（1250～1550）x300x10x16 12.11T
优化后 H700～1200
x300x8x12 H1200x
300x8x12 H1200～700x
300x8x12 H700～1500
x300x10x16 9.162T
梁段截面前后面积比%
67%
76%
67%
87%
75.6%
调整后应力比见下图
图4
可见，经过截面优化设计，变截面H型钢更贴合应力曲线，可减少不必要的浪费，为钢架“瘦身”，优化后整体钢架自重可减轻24.4%，优化结果令人满意，在保证结构安全性的前提下大大减轻了结构自重。
六、结论
综上可以看出，按上述步骤通过人为干预优化，对原钢架截面具有很大的改善效应。此方法对于实际工程中轻钢屋架梁设计具有一定指导意义。当然，工程结构优化问题具有多解性，本文仅提供一种优化思路，以扩充优化方法。
参考文献
CECS 102-2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程
GB50755-2012 钢结构工程施工规范
GB 50017-2003 钢结构设计规范
郑 宏 基于遗传算法的钢结构优化设计 长安大学学报（自然科学版） 2002（3）：34-35
夏志斌 姚 柬 鋼结构设计例题集 北京 中国建筑工业出版社 1994
关键词：轻钢屋面钢架；截面优化设计；STS
一、 引言，
轻钢屋面由于其具备结构自重轻，抗震性能好，施工周期短等优势，普遍被运用于单层多层厂房、仓库、商业楼，办公楼及其他较大跨度的建筑屋盖结构。对于跨度较大的轻钢结构设计，初始计算时设计的屋面钢梁，往往截面较大，浪费钢材，因此人为干预的优化设计就显得非常必要，通过对钢架截面尺寸的二次优化，减轻结构自重，不但能加强钢架自身抗震性能，节约钢材，同时也减少了建设成本。本文将浅要概述如何利用现有软件，从参数设定开始运用程序进行人为优化设计的步骤。
二、 设计条件概况：
以本人设计的某厂无菌包装车间项目中屋面钢架梁GWJ4的设计为例，采用软件为STS。
1） 该项目处于III类场地上，基本地震加速度0.05g； 设计地震分组：第一组，本工程主体结构设计使用年限为50年；维护结构设计使用年限为15年；结构的安全等级二级，建筑抗震设防类别： 丙 类；设防烈度6度；
2） GWJ4为中间跨钢梁，类型为双坡、对称屋面，可参考图3，总跨度63m，单坡跨度31.5m.
3） GWJ4基本荷载参数为：屋面恒荷载（屋面板+檩条0.2 kN/m2、轻钢龙骨吊顶0.15 kN/m2灯具吊载0.1 kN/m2、+线缆风管吊载0.5 kN/m2）共计1.0 kN/m2 ； 屋面活荷载均为 0.50 kN/m2；基本雪压 0.45KN/m ，平面外纵向柱距7.5m综上，累计在钢梁上的均布恒荷载为7.5kN。均布活载为3.5kN，（由于使用要求，本工程不考虑屋面活荷载折减）
三、初始参数设定
1、材料选用，针对大跨度轻钢结构，由于钢梁上跨度荷载都相对较大，考虑到应力比，采用较高强度的Q345钢材，显然更为适宜，可有效减小构件截面，减轻自重。实践表明当截面受强度控制，选用Q345钢与Q235相比，屈服强度提高45%左右，采用Q345钢可节约15%～25%钢材。
因此本工程屋面钢梁钢材及节点板选用Q345B钢，其屈服强度 fy ≥ 345N/m2。屋面檩条则可选用选用Q235钢，其屈服强度fy ≥235N/m2。
2、采用较为合理的柱网布置，
本工程，钢架平面内总跨度为63.000，考虑到轻钢钢架经济跨度在24米～30米左右，故在不影响建筑使用功能的前提下，钢架平面内如图所示，设置为两跨钢架，单跨31.500m，纵向柱间距7.500，柱为混凝土柱，边柱高8.300m，中柱高，9.075m。
3、支承条件：钢架模型为：边支座钢梁与砼柱端铰接，中间支座钢梁与柱顶铰接，钢梁本身各节点均为固接，砼柱与基础均为固接。混凝土排架柱在钢架平面外用混凝土梁作侧向连接。
4、钢架梁节点分段，梁分段节点是钢梁截面优化中初始考量的重点，主要是根据钢梁初算后应力包络图表来确定的，左跨初始分段可预先划分比例为1：1：0.5（右跨为对称结构）。
5、经初步计算结果展示
经过程序STS半自动运算选取的截面如下：从左柱到中柱排序四段分别为
梁段1、2、3截面均为H1250x300x10x16
梁段4为H（1250～1550）x300x10x16
弯矩，剪力如下图（应力比图略）：
图1
图2
6、试算结果分析：
虽然所示截面计算结果显示，其能满足应力及变形的计算要求，但是计算结果同时表明端肢应力比0.37，明显截面过大，应进行必要的优化调整。
四 优化调整
根据弯剪内力包络图及绕曲变形指标，可通过以下步骤对初算结果进行优化调整
1、 优化节点排布比例，根据图示内力包络图的特殊控制点的相对位置，对节点间距的初始分段进行试算对比和二次微调，（过程略），通过调整，确定为9：9：8：5.5的节点分段比例，分段后钢梁分段节点与弯矩包络图更为匹配。实例结果表明通过调整节点距使之更贴合弯矩包络图能有效减少钢材用量。
注：虽也可通过增加节点个数调整，但这种做法会导致钢架分段数增加，同时增加连接节点，造成安装施工麻烦，因此并不建议增设节点数。
2、根据应力比控制，对钢梁截面进行二次调整，（本工程考虑根据可能的吊载分布不均，应力比控制在0.8左右），
计算方法为：
1） 设定预设值：利用程序试算结果先行确定钢梁经济翼缘宽度及翼缘厚度，（如程序初算结果很不理想，可自行预估），本工程试算预设值为翼缘宽度300mm，翼缘厚度暂定为12mm）注：参数设定时应符合模数。
2） 产生初始种群：分别用初算结果的各节点端弯剪值分别计算节点部位截面翼缘腹板截面高度及钢板厚度，获得一组参数种群。节点两端的腹板高度选用原则应符合下式：H=max{f1（M、b，hf1），f2（V、hw）}
3） 计算时设计计算顺序原则为，优先计算弯矩最大处位置截面确定分段钢梁端部腹板截面高度及板厚，然后向弯矩减小处推算。
4） 计算当前种群适应度比值，通过种群的当前全局最优位置，比较选取最优截面参数。
5） 根据变形绕曲值，对最优截面进行二次复核调整，有时截面虽满足应力比计算值，但对绕度变形值可能出现超限，同时应特别注意钢梁坡度改变率等的计算，避免超限。
注：上述计算过程也适用于采用对多元方程解系对目标优选函数的迭代方法，得出趋近最优解，实际设计过程中如遇到较复杂工程，该操作可能会较为繁琐，建议设计过程可配合利用STS对估算设计截面直接输入程序利用STS，进行运算，通过对运算结果比对，得到最优解，可节约大量设计工时。
五、优化成果图展示
优化后截面图
图3
截面优化前后对比表
结果比较 X1（截面） X2（截面） X3（截面） X4（截面） 经济性比较（总重）
优化前 H1250x300
x10x16 H1250x300
x10x16 H1250x300
x10x16 H（1250～1550）x300x10x16 12.11T
优化后 H700～1200
x300x8x12 H1200x
300x8x12 H1200～700x
300x8x12 H700～1500
x300x10x16 9.162T
梁段截面前后面积比%
67%
76%
67%
87%
75.6%
调整后应力比见下图
图4
可见，经过截面优化设计，变截面H型钢更贴合应力曲线，可减少不必要的浪费，为钢架“瘦身”，优化后整体钢架自重可减轻24.4%，优化结果令人满意，在保证结构安全性的前提下大大减轻了结构自重。
六、结论
综上可以看出，按上述步骤通过人为干预优化，对原钢架截面具有很大的改善效应。此方法对于实际工程中轻钢屋架梁设计具有一定指导意义。当然，工程结构优化问题具有多解性，本文仅提供一种优化思路，以扩充优化方法。
参考文献
CECS 102-2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程
GB50755-2012 钢结构工程施工规范
GB 50017-2003 钢结构设计规范
郑 宏 基于遗传算法的钢结构优化设计 长安大学学报（自然科学版） 2002（3）：34-35
夏志斌 姚 柬 鋼结构设计例题集 北京 中国建筑工业出版社 1994