大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)連接方式的優(yōu)化研究

劉松，王暉，趙英偉

（1.煙臺建聯(lián)勘察設(shè)計(jì)審查服務(wù)中心，山東 煙臺264000；2.煙臺化工設(shè)計(jì)院有限公司，山東 煙臺264000）

1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)的連接方式

1.1 剛性連接和非剛性連接

當(dāng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房受到荷載作用時(shí)， 節(jié)點(diǎn)連接有著非常重要的作用，其剛性和變形能力都會影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能，因此，根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接處的要求和荷載情況，需要選擇合適的連接方式。

1）剛性連接要求節(jié)點(diǎn)連接處的剛度和強(qiáng)度足夠大，以確保節(jié)點(diǎn)處的變形和位移盡可能小， 從而保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性；剛性連接通常采用焊接和高強(qiáng)度螺栓連接等方式；在節(jié)點(diǎn)連接處，通常會對構(gòu)件進(jìn)行預(yù)處理，例如，對構(gòu)件進(jìn)行削角、端部加厚等加強(qiáng)措施，以增加連接的強(qiáng)度和剛度；剛性連接通常適用于受到靜載荷或者變形要求較小的結(jié)構(gòu)， 如橋梁、廠房等。

2）非剛性連接要求節(jié)點(diǎn)連接處具有一定的變形能力和位移能力，以消除結(jié)構(gòu)受荷時(shí)的變形和應(yīng)力集中；非剛性連接通常采用高強(qiáng)度螺栓連接、剪力連接和框架式連接等方式，這些連接方式都具有一定的伸縮性和變形能力， 可以有效減小結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，并防止局部構(gòu)件因應(yīng)力過大而失效；非剛性連接通常適用于受到動荷載或者變形要求較大的結(jié)構(gòu)， 如高層建筑、體育館等。

1.2 螺栓連接和焊接連接

螺栓連接方式是將螺栓穿過連接的構(gòu)件， 在另一側(cè)安裝螺母，通過螺栓和螺母的摩擦力將構(gòu)件連接在一起。 由于螺栓連接方式可以通過拆卸螺栓和螺母來解除連接，因此，可以方便地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整、更換或修理。 該連接方式不需要使用高溫和高壓力進(jìn)行連接， 可以在現(xiàn)場進(jìn)行安裝， 不需要特殊設(shè)備。 焊接連接方式是通過在連接處使用電弧焊、氣焊或者激光焊等方法將構(gòu)件焊接在一起，連接強(qiáng)度通常比螺栓連接高，焊接連接方式不會存在由螺栓和螺母之間的摩擦力而引起的輕微松動，因此，節(jié)點(diǎn)處的剛度和穩(wěn)定性通常較好，不必額外進(jìn)行維護(hù)和調(diào)整[1]。雖然螺栓連接方式和焊接連接方式都具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)。 例如，螺栓連接方式在受到動載荷作用時(shí)容易產(chǎn)生松動和脫落，而焊接連接方式無法拆卸和調(diào)整，對結(jié)構(gòu)的改造和維護(hù)有一定的限制。 因此，在實(shí)際工程中需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況和要求選擇合適的連接方式。

1.3 直接連接和間接連接

直接連接是指直接將兩個(gè)構(gòu)件的端部連接在一起， 如對接焊縫連接。 直接連接方式通常是先通過對兩個(gè)構(gòu)件的端部進(jìn)行加工處理，如去除污垢、油漆等，然后將其對接起來，并進(jìn)行電弧焊接或氣焊接。 直接連接方式構(gòu)件間連接緊密，節(jié)點(diǎn)處不會存在連接件的干擾，連接結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，且節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度高、剛度大。 間接連接是通過其他構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)連接，如框架式連接方式。 間接連接方式通常是通過在兩個(gè)構(gòu)件之間加入其他構(gòu)件，如鋼板、梁、柱等，通過焊接或螺栓連接起來，可以起到一定的防震和抗變形的作用，通常使用螺栓連接，可以方便地進(jìn)行拆卸和調(diào)整。 此外，間接連接方式可以通過添加其他構(gòu)件，如鋼板等，起到美觀和裝飾的作用。

1.4 動態(tài)連接和靜態(tài)連接

靜態(tài)連接通常指節(jié)點(diǎn)連接處變形和位移較小，例如，結(jié)構(gòu)自重作用下的節(jié)點(diǎn)連接。 在這種情況下，節(jié)點(diǎn)處的變形和應(yīng)力集中相對較小，節(jié)點(diǎn)連接方式通常采用螺栓連接，或者焊接連接等方式。 靜態(tài)連接方式具有以下特點(diǎn)：（1）構(gòu)件間變形和位移小，節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力分布相對均勻；（2）連接方式通常采用螺栓連接或者焊接連接等方式， 以滿足節(jié)點(diǎn)處的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求；（3）對節(jié)點(diǎn)連接處進(jìn)行調(diào)整和拆卸相對容易。 動態(tài)連接通常指節(jié)點(diǎn)連接處存在較大的變形和位移，例如，風(fēng)荷載作用下的節(jié)點(diǎn)連接。 在這種情況下，節(jié)點(diǎn)處的變形和應(yīng)力集中相對較大，節(jié)點(diǎn)連接方式通常采用彈性支撐或者高強(qiáng)度錨栓等方式。動態(tài)連接方式構(gòu)件間變形和位移較大，需要采用具有一定變形能力的連接方式，通常采用彈性支撐或高強(qiáng)度錨栓等方式，可以使節(jié)點(diǎn)處具有一定的變形能力和位移能力， 從而降低節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中，但是對節(jié)點(diǎn)連接處進(jìn)行調(diào)整和拆卸相對困難[2]。

1.5 混合連接方式

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中， 混合連接方式是一種將兩種或多種不同的連接方式進(jìn)行組合， 以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)的連接方式。 混合連接方式通常適用于某些節(jié)點(diǎn)連接處要求較高的情況，例如，強(qiáng)度、剛度和變形能力等。 混合連接方式可以是不同種類連接方式的組合，例如，將螺栓連接和焊接連接方式組合在一起； 也可以是同種連接方式的不同形式的組合，例如，在強(qiáng)度要求高的節(jié)點(diǎn)連接處可以使用高強(qiáng)度錨栓和鋼板相結(jié)合的方式。

2 節(jié)點(diǎn)連接方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.1 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法是一種基于性能的設(shè)計(jì)方法， 通常適用于大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房等對連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求較高的結(jié)構(gòu)。 該設(shè)計(jì)方法主要基于結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的性能要求，以確定節(jié)點(diǎn)連接方式的強(qiáng)度和穩(wěn)定性， 確保結(jié)構(gòu)在荷載作用下不會出現(xiàn)破壞或失效。 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法旨在確保結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的性能要求，通常采用可靠性理論，考慮結(jié)構(gòu)荷載和材料的不確定性因素，以及結(jié)構(gòu)的安全和可靠性要求。 在大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房的節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)中， 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法是一種常見的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用過程中需要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，以確保結(jié)構(gòu)的安全和可靠性。

該方法的應(yīng)用步驟為：（1） 考慮結(jié)構(gòu)所受的荷載特點(diǎn)，包括靜載荷、動載荷、風(fēng)荷載、地震荷載等，同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)的安全和可靠性要求，確定結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)要求；（2）結(jié)合結(jié)構(gòu)荷載特點(diǎn)、連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求等因素，選擇合適的連接方式和材料，常見的連接方式包括膨脹錨栓連接、高強(qiáng)度螺栓連接、焊接連接等；（3）進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，以確定連接的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是否滿足結(jié)構(gòu)的要求[3]，同時(shí)需要考慮連接的預(yù)緊力、焊接質(zhì)量等因素，以確保連接處的安全性和可靠性。

2.2 可靠度設(shè)計(jì)法

可靠度設(shè)計(jì)法是一種基于概率統(tǒng)計(jì)理論的設(shè)計(jì)方法，旨在確保結(jié)構(gòu)在使用壽命內(nèi)的安全性和可靠性。 該方法通過考慮結(jié)構(gòu)荷載、材料特性、連接方式、施工質(zhì)量等多種因素的不確定性，以及結(jié)構(gòu)在使用過程中的疲勞、腐蝕等因素的影響，評估結(jié)構(gòu)的可靠度水平，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的安全和可靠性要求，確定節(jié)點(diǎn)連接方式和規(guī)格。 可靠度設(shè)計(jì)法具有較高的精度和可靠性，但需要進(jìn)行較為復(fù)雜的計(jì)算和分析。 在節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)階段， 可靠度設(shè)計(jì)法可以通過對節(jié)點(diǎn)連接的概率分析和模擬計(jì)算，評估節(jié)點(diǎn)連接在不同荷載下的可靠度水平，評估結(jié)果可以指導(dǎo)節(jié)點(diǎn)連接的設(shè)計(jì)方案，從而提高連接的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和可靠性；還可以采用概率方法對節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行可靠度計(jì)算，分析節(jié)點(diǎn)連接在不同荷載下的可靠度水平， 評估結(jié)果可以用于節(jié)點(diǎn)連接的強(qiáng)度校核和優(yōu)化設(shè)計(jì)， 以提高節(jié)點(diǎn)連接的可靠性和安全性[4]。

2.3 遺傳算法

使用遺傳算法對大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要根據(jù)具體的問題定義適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)函數(shù)和約束條件。 一般而言，目標(biāo)函數(shù)包括節(jié)點(diǎn)連接的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、可靠度和經(jīng)濟(jì)性等多種性能指標(biāo)。 而約束條件則包括結(jié)構(gòu)限制、工藝限制、材料性能限制和規(guī)范限制等。 在節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)階段，遺傳算法可以用來搜索設(shè)計(jì)空間， 從而得到最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)連接方式和規(guī)格，通過對節(jié)點(diǎn)連接的參數(shù)進(jìn)行編碼，將設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題，然后采用遺傳算法進(jìn)行搜索和優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果可以用于節(jié)點(diǎn)連接的設(shè)計(jì)方案， 確定合適的節(jié)點(diǎn)連接方式和規(guī)格。 之后，將節(jié)點(diǎn)連接的強(qiáng)度作為目標(biāo)函數(shù)，將節(jié)點(diǎn)連接的參數(shù)作為優(yōu)化變量，采用遺傳算法進(jìn)行搜索和優(yōu)化，得到最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)連接方式和規(guī)格，同時(shí)，采用遺傳算法進(jìn)行靈敏度分析和多目標(biāo)優(yōu)化，提高節(jié)點(diǎn)連接的可靠性和優(yōu)化效果。 在節(jié)點(diǎn)連接優(yōu)化階段，可以將節(jié)點(diǎn)連接的性能指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，將節(jié)點(diǎn)連接的參數(shù)作為優(yōu)化變量，采用遺傳算法進(jìn)行搜索和優(yōu)化，得到最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)連接方式和規(guī)格。 同時(shí)，還可以采用遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，兼顧節(jié)點(diǎn)連接的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和可靠性等多種性能指標(biāo)。

2.4 粒子群算法

粒子群算法是一種基于群體智能的優(yōu)化算法， 其基本原理是模擬鳥群或魚群在群體中的行為， 通過群體智能對解空間進(jìn)行搜索和優(yōu)化。 在大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房節(jié)點(diǎn)連接優(yōu)化中，可以將節(jié)點(diǎn)連接方式和規(guī)格作為設(shè)計(jì)變量， 采用粒子群算法對這些設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，以尋找最優(yōu)解；通過全局搜索，發(fā)現(xiàn)更優(yōu)的節(jié)點(diǎn)連接方式和規(guī)格組合， 從而提高節(jié)點(diǎn)連接的可靠性和成本效益。 粒子群算法能夠精確地搜索解空間，并得到較高的搜索精度，在大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房節(jié)點(diǎn)連接優(yōu)化中，通過對節(jié)點(diǎn)連接方式和規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化， 可以得到更加精確的節(jié)點(diǎn)連接方案，滿足結(jié)構(gòu)的性能和安全性要求，同時(shí)又能達(dá)到經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的目的[5]。此外，節(jié)點(diǎn)連接方式和規(guī)格是設(shè)計(jì)變量，通過對這些設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，可以得到更好的節(jié)點(diǎn)連接方案。 通過更好地發(fā)掘設(shè)計(jì)空間，可以使節(jié)點(diǎn)連接方案更加多樣化，同時(shí)能夠滿足不同的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)要求。

2.5 蟻群算法

蟻群算法是一種基于群體智能的優(yōu)化算法，其基本原理是模擬螞蟻在尋找食物時(shí)的行為，通過信息素和啟發(fā)式規(guī)則指導(dǎo)搜索和優(yōu)化。當(dāng)應(yīng)用蟻群算法來優(yōu)化大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房的節(jié)點(diǎn)連接時(shí)，通常會根據(jù)具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，將節(jié)點(diǎn)連接方式和規(guī)格作為設(shè)計(jì)變量，然后，通過逐代地更新信息素和啟發(fā)式規(guī)則，讓螞蟻不斷在解空間中搜索，從而找到最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)連接方案。 在蟻群算法中，螞蟻會根據(jù)當(dāng)前信息素的濃度和啟發(fā)式規(guī)則來選擇下一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接方案，從而不斷探索解空間中的可能性。由于蟻群算法具有較強(qiáng)的全局搜索能力和較高的搜索精度，可以更好地發(fā)掘設(shè)計(jì)空間，因此，蟻群算法可以在大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房節(jié)點(diǎn)連接優(yōu)化中發(fā)揮重要作用。 例如，通過調(diào)整蟻群算法的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)更快速和準(zhǔn)確搜索。此外，將蟻群算法與其他優(yōu)化算法相結(jié)合，也可以實(shí)現(xiàn)更好的優(yōu)化效果。

3 結(jié)語

本文探討大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房節(jié)點(diǎn)連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過對基于性能的設(shè)計(jì)方法、可靠度設(shè)計(jì)法，以及基于優(yōu)化算法的設(shè)計(jì)方法等多種優(yōu)化設(shè)計(jì)思路和方法進(jìn)行總結(jié)和探討，為大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房的節(jié)點(diǎn)連接優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。節(jié)點(diǎn)連接作為鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分， 對結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性起著至關(guān)重要的作用，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體問題的特點(diǎn)和要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和優(yōu)化， 以提高算法的效率和優(yōu)化結(jié)果的可靠性。