浙江盛达铁塔有限公司
摘要：随着社会不断地发展，人们的生活质量不断提升，城市的建设规模也越来越大，对建筑施工技术的要求也越来越高。在现代建筑中，框架结构依托自身的优点已然成为当今建筑施工英勇最广泛的材料。本文将依据框架钢结构的特性对电力铁塔框架钢结构进行分析和研究，并提出相应的优化设计方案。
关键字：框架钢结构；优化设计；ANSYS；研究
引言
框架钢结构是现代建筑产业发展的必然趋势。框架钢结构的出现极大的提升了建筑施工的安全性能，但是鉴于一些在设计方面的问题已经钢材自身较高的价格带来的成本问题，对框架钢结构进行研究并作出优化设计是具有现实经济意义的。如今我国在电力铁塔的部分设计略显保守，且无其他可以遵守的规范。本文将依据ANSYS软件给出电力铁塔框架钢结构的优化设计。
1 电力铁塔框架钢结构设计
1.1 框架钢结构设计
从框架钢结构的设计理论来说，主要有两种设计方法：一是高等分析法，即弹塑性极限承载力分析法，是依托在整体结构之上的。但是行业内少用此法是因为其计算过于复杂。二是计算较为简单的长度设计法，通过一节弹性法计算出结构内力后确定杆件并计算长度，最后稳定力验算通过按压隔离构件的弯构件完成。但是这种方法也存在缺陷。主要是准确性的问题：首先是此法不能精准的考虑构件和结构体系间的相互影响；其次是没有考虑二阶效应的影响；鉴于此法以构件作为研究对象，没有考虑结构内的力重分布，在大型的结构体系的设计上过于保守。
从是否考虑材料非线性和几何非线性来说，框架钢结构的分析方法可以分为四种：一阶弹性分析（即两种非线性都不考虑）；一阶弹塑性分析（即不考虑线性几何）；二阶弹性分析（即不考虑几何非线性）；二阶弹塑性分析（即两种非线性都考虑）[1]。
图1 工程在不同的阶段的不同优化目标
1.2 电力铁塔
电力铁塔是电力工业中的非常关键的组成部分，其重要性不言而喻。电力铁塔的主要构件是钢管或是单角钢。受载荷偏心、节点约束条件以及长细比的影响，单角钢的承载力存在着较大的差异。根据我国现有的设计规范，此类的轴心构件的承载力用一条曲线表示[2]。在实际的应用中这种方法则过于保守。目前在我国钢管塔则应用远不及其他国家广泛。主要原因是目前国内缺乏合适的系统的设计准则并且钢管塔的节点形式较大的影响了承载力。
2 框架钢结构的优化方案
优化设计是一门结合了计算技术何以结合了最优原理的学科。在不同的设计理论中找到最优的设计方案，提升设计的质量以及设计的效率。在工程的不同的时间阶段的优化目标也是不同的。详细见下图1。
需要说明的是框架钢结构的优化设计需要包括三个方面的内容：构件优化和整体部件部分的优化。构件优化是指需要对构件材料进行合理的选择和配置。在建筑工程中主体结构中通常会选择使用同一种材料，以确保在施工过程中得到统一化管理，与此同时可以降低施工的成本，便于选择不同强度的刚才来完成截面组合流程。截面验算通常采用弹塑性方法来保证构件设计的规范性。构件验算未通过时可以扩大截面进行验算，保证截面运算最终会通过。整体部件以及类型选用等方面的优化是指框架钢结构的选用材料必须具有强度高，韧性强以及具有可塑性的特点，并且符合设计中力学计算的相关要求。钢结构的制造工艺简单，施工期短以及整体的重量较轻。确保设计的框架钢结构稳定性高，避免出现倾斜和倒塌的问题。在布置框架钢结构时需要严格按照相关的执行标准和执行规范。
ANSYS软件是目前为止最为有效的商用的有限元软件之一[3]，它具有完善的单元库、丰富的材料库和精准的求解器，可以高效准确地求出不同结构的线性或是非线性的问题、静力或是动力、多场耦合等问题。
ANSYS软件为处理大多数的优化问题提供了两种优化问题：零阶方法和一阶方法[4]。其中一阶方法更适合准确地优化分析，对设计变量的敏感程度更高。ANSYS对这两种设计方法都提供了“分析-评估-修正”的循环过程，直至设计符合要求。
3 电力铁塔框架钢结构的有限元优化方案
自立塔是电力铁塔的一项较为重要的类型，并且根据其适应性强的特性，自立塔的应用非常广泛。自立塔使用的是桁架结构。要想实现自立塔的大型化和复杂化，必须对自立塔的基本钢架结构进行详细的受力分析。
自立塔是核心材料是角钢。一般来说可以忽略杆件在偏心载荷和侧向风载荷的作用下的弯矩，因此可以大致将其杆件看作是理想的三维桁架[5]。因而只考虑轴向力，不考虑弯矩。 相对于空间桁架，节点的线位移沿着坐标轴有三个分量。具体受力分析如下图2所示。
图2 空间桁架节点线位移分布
要完成ＡＮＳＹＳ优化设计有两种方法：通过ＧＵＩ交互式完成或是批处理的办法。相比而言交互式方法更为灵活，并且可以实时的展示循环过程的展示。批处理的方法则更为简单：可以通过命令输入整个优化文件就可以进行优化了。这种方法适合于非线性的复杂的分析任务。ＧＵＩ优化设计则需要首先建立模型的分析文件，优化处理器通过交互式使用确定设计空间，方便后续的优化处理。大致的优化数据流如下图３所示：
图３ 交互式优化过程的数据流向
交互式优化方案帮助用户缩小了设计空间的大小，使得优化过程的效率更高。
详细的过程如下：
第一步：生成循环用的分析文件，分析文件包含整个分析过程以及需要满足一定的要求：进行参数化建模；然后进行求解；最后提取指定状态的分析函数和变量。
第二步：在ＡＮＳＹＳ数据库建立与分析文件变量对应的参数。
第三步：进入ＯＰＴ后开始指定文件分析。
第四步：优化要声明的变量。
第五步：对优化方法和优化工具进行选择。
第六步：指定优化循环的控制方法。
第七步：进行优化分析。
第八步：对优化序列结果进行分析和其他后处理。
ＡＮＳＹＳ为铁塔钢结构的有限元优化设计方法提供了一些优化工具和方法。优化方法是让目标函数在控制条件下达到最小值的传统化方法。就目前而言有两种可用的方法：一阶方法和零阶方法。此外用户也可以通过外部的优化算法来替换ＡＮＳＹＳ本身的优化算法。同时在时使用任何一种优化方法之前都需要先定义目标函数。
结束语
框架钢结构在时代的不断发展之下应用也越来越广泛，那么对框架钢结构设计中的细节问题给予足够的重视，并对设计进行不断地优化，才能跟上实际施工中越来越高的要求，最终达到促进电力行业建筑技术的发展、提升其整体效益，推动我国电力建设行业现代化发展的目的。
参考文献
[1]陈德润.框架钢结构的研究及优化设计[J]. 广东科技,2014,18: 134-
135.
[2]黄冀卓.钢框架体系优化设计研究[D].同济大学,2006.
[3]海涛.多层钢框架结构的优化设计研究[D].西安建筑科技大学,2013.
[4]杜伟.高压输电铁塔结构强度和稳定性分析与加固[D].合肥工业大学,2014.
[5]徐芸.大跨越高压输电线路高耸塔高强钢钢管节点研究[D].武汉大学,2009.
论文作者:陈天峰
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/12
标签：钢结构论文; 框架论文; 铁塔论文; 方法论文; 构件论文; 优化设计论文; 电力论文; 《基层建设》2016年11期论文;