肖晨晨

（寧夏農(nóng)墾勘測設(shè)計院（有限公司），銀川 750000）

1 工程概況

以寧夏興墾牧業(yè)有限公司第二奶牛場建設(shè)項(xiàng)目為例，展開建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法探討， 以期在實(shí)際的工作中，能夠做好鋼結(jié)構(gòu)的合理控制，更好地發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的功能和作用。

在本工程建設(shè)中，主要包括如下相應(yīng)內(nèi)容。

1）養(yǎng)殖生產(chǎn)區(qū)：建設(shè)泌乳牛舍10 棟，建筑面積123264.00m2；已孕青年牛舍1 棟，建筑面積13 824.00 m2；綜合牛舍1 棟，建筑面積13 824.00 m2；干奶牛舍2 棟，建筑面積27 456.00 m2；后備牛舍5 棟，建筑面積30 212.00 m2；斷奶犢牛舍6 棟，建筑面積17 640.00 m2；雙80 位轉(zhuǎn)盤擠奶廳（含獸醫(yī)診斷室）2 棟，建筑面積15 394.74 m2；特需擠奶廳（2×24 并列式）1 棟，建筑面積1 512.00 m2；并設(shè)有轉(zhuǎn)群通道和擠奶通道。

2）飼料加工區(qū)：建設(shè)干草棚6 棟，建筑面積16 200.00 m2；青貯平臺2 座，建筑面積83 238.00 m2；機(jī)修車間1 座，建筑面積1 386.00 m2；TMR 固定攪拌站1 座。

3）管理生活區(qū)：建設(shè)管理用房2 座，建筑面積8 859.44 m2；餐廳1 座、建筑面積1 115.55 m2；消毒更衣室1 座，建筑面積為840.42 m2；設(shè)備用房3 座，建筑面積234.00 m2；蓄水池、消防水池1 座， 建筑面積3 118.78 m2（其中地上水泵房面積為65.65 m2）。

4）糞污資源化利用區(qū)：糞污收集和微濾系統(tǒng)，BES 臥床墊料再生系統(tǒng)、擠奶廳廢水凈化系統(tǒng)，總占地面積約14 666.67 m2。

表1 為本工程的主要技術(shù)指標(biāo)情況。 表2 為本工程主要研究對象單體功能表。

表1 本工程的主要技術(shù)指標(biāo)情況

表2 本工程主要研究對象單體功能表

按照本工程的基本情況， 對本工程鋼結(jié)構(gòu)牛舍部分的設(shè)計進(jìn)行研究分析，確保實(shí)際工作中能夠采取合理的優(yōu)化方法。

2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

2.1 鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計優(yōu)化

1）材料的選擇：一般鋼材選型有Q235B 和Q355B。 由于牛舍在使用要求上的限制， 中柱截面不宜過大， 考慮經(jīng)濟(jì)適用，本工程選用鋼材型號為Q355B。 為了便于制作安裝，通常主要承重構(gòu)件選用單一強(qiáng)度。 當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時， 可選擇Q355B；穩(wěn)定控制時，可選擇Q235B。

2）截面選擇：門式剛架結(jié)構(gòu)通常宜選擇H 形鋼。H 形鋼柱的翼緣要具備一定的寬度， 以滿足鋼架在平面外的穩(wěn)定和長細(xì)比要求。 本項(xiàng)目根據(jù)使用功能要求，中間立柱較多，故邊柱采用H 形鋼，中柱采用鋼方管，并采用在中柱增加斜撐方法來滿足計算要求，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)適用穩(wěn)定美觀的效果[1]。

在具體計算中，可根據(jù)項(xiàng)目需要，通過加大翼緣厚度、加大腹板厚度、加大截面的高度、增加斜撐、變截面分段等方法來滿足計算要求。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計優(yōu)化

連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要組成部分。 在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計與優(yōu)化過程中，首先結(jié)合施工工藝水平、施工空間等因素，并注意節(jié)點(diǎn)的科學(xué)選擇，建立模型分析節(jié)點(diǎn)受力，立足實(shí)際優(yōu)化設(shè)計節(jié)點(diǎn)的合理控制，對節(jié)點(diǎn)的形式合理確定，保證現(xiàn)場能夠方便有效實(shí)現(xiàn)。 節(jié)點(diǎn)的連接方式不同，對結(jié)構(gòu)計算影響較大，按傳力特性不同分為剛接、鉸接和半剛接。

按連接形式分有焊縫及螺栓連接。 焊接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高、韌性塑性高但焊接處易生銹，不易拆卸，對焊接焊縫應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)規(guī)范要求，不得任意加大焊縫。 焊條的選用應(yīng)和被連接金屬材質(zhì)適應(yīng)。 E43 對應(yīng)Q235，E50 對應(yīng)Q355。 要注意的是Q235與Q355 連接時，應(yīng)該選擇低強(qiáng)度的E43。 螺栓連接的主要構(gòu)件采用高強(qiáng)螺栓，施工快捷、拆裝方便，但易松動、制孔精度較差。 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計過程中，需要對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，降低鋼結(jié)構(gòu)的隱患發(fā)生，結(jié)合實(shí)際情況，避免鋼結(jié)構(gòu)的隱患發(fā)生[2]。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)建筑材料的設(shè)計優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計優(yōu)化， 還要對鋼結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行合理的選擇。 在本次項(xiàng)目設(shè)計中， 對屋面板材料進(jìn)行優(yōu)化，采用屋面板和光伏一體化的方法，進(jìn)一步提升鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計效果。 主要是對南側(cè)屋面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，既具有光伏發(fā)電功能，又能承擔(dān)建筑構(gòu)件和建筑材料的作用。 BIPV 光伏瓦直接安裝在屋頂檁條上，實(shí)現(xiàn)屋頂防火、防水、隔熱保溫、承重功能，具有高壽命、高發(fā)電、低壓安全、智能化、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

屋面做法如下：北側(cè)屋面覆蓋材料采用100 mm 厚雙層壓型鋼板復(fù)合保溫屋面+0.6 mm 厚外板+100 mm 厚玻璃絲綿（密度24 kg/m3）+0.5 mm 厚內(nèi)板。南側(cè)屋面覆蓋材料光伏板外板+50 mm 厚玻璃絲綿（密度24 kg/m3）+ 貼面，光伏板密度≤25 kg/m2。 本工程采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式，實(shí)現(xiàn)屋頂防火、防水、隔熱保溫、承重功能，具有高壽命、高發(fā)電、低壓安全、智能化、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可以更好地促使本工程能夠滿足奶牛場的功能得到合理提升[3]。

3 鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中優(yōu)化研究

結(jié)合寧夏興墾牧業(yè)有限公司第二奶牛場建設(shè)項(xiàng)目施工現(xiàn)場實(shí)際情況， 從以下幾方面對本工程鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行分析研究。

3.1 預(yù)防錯位和變形

鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，可以應(yīng)用預(yù)防錯位和變形措施，使得鋼結(jié)構(gòu)可以更好地為建筑工程服務(wù)， 實(shí)現(xiàn)建筑工程的持續(xù)健康發(fā)展。 為了避免錯位和變形，需要對不連續(xù)部位進(jìn)行控制，因?yàn)檫@部分容易出現(xiàn)損傷和裂縫， 給鋼結(jié)構(gòu)功能和服務(wù)作用帶來影響。 所以，為了保證鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計效果，建議加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)錯位、變形的控制，以此保證鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)性。 鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中，需要經(jīng)常翻動，這樣可以合理抵消變形，進(jìn)而保證焊接效果。 另外，進(jìn)行大尺寸焊縫時，建議選擇分段、分層、間斷焊接的方式，其間需要控制好電流、焊接速度，使最終焊接效果滿足實(shí)際需求。 焊接后容易出現(xiàn)主角變形的零部件，建議施工人員在焊接前做好零件預(yù)變形處置。例如，鋼板的V 形坡口對接，可在焊接前適當(dāng)墊高接口，達(dá)到焊后變平的效果。 采用手工焊接方法，建議進(jìn)行間斷焊接，尤其應(yīng)注意工件中間向兩頭的焊接，需要進(jìn)行退焊處理，焊接人員保證對稱分散分布，確保焊接工藝滿足要求。 通過上述措施，可以有效控制鋼結(jié)構(gòu)的錯位和變形，確保鋼結(jié)構(gòu)的功能和質(zhì)量。

另外，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，還需注意到鋼結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，設(shè)計人員仔細(xì)對比設(shè)計圖紙和規(guī)范要求。 本工程鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計過程中，通過預(yù)防錯位與變形控制，使鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到顯著提升[4]。

3.2 預(yù)防應(yīng)力集中的問題

結(jié)合本工程基本情況，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，應(yīng)重點(diǎn)控制預(yù)應(yīng)力集中問題。 預(yù)應(yīng)力集中問題是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題，關(guān)鍵在于確定預(yù)應(yīng)力參數(shù)。 但因節(jié)點(diǎn)處理不到位，或是制作工藝不合理， 很有可能導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力集中的情況， 甚至造成結(jié)構(gòu)損壞。 對于此，建議采取如下防御措施：第一，受彎曲的梁翼板邊緣不能有缺口和毛刺等，施工時使用模切割法，切割壓縮型的剛斷面，并注意半自動氣切割機(jī)切割板材時，應(yīng)保證板材邊緣具有較好的平整性和圓潤性；第二，應(yīng)力集中預(yù)防需要采取表面強(qiáng)化的方法，例如，使用表面噴丸、滾壓和氮化等措施，提高材料表面抗疲勞強(qiáng)度，達(dá)到預(yù)防應(yīng)力集中的目的；第三，提高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力，尤其是低應(yīng)力區(qū)的缺口、圓孔，確保低應(yīng)力區(qū)向高應(yīng)力區(qū)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的平穩(wěn)過渡。

3.3 預(yù)防脆性斷裂的問題

脆性斷裂問題不能得到合理控制， 將造成鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂，產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果。 控制脆性斷裂的過程中，施工人員需要重點(diǎn)保證選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，還要對焊接缺陷進(jìn)行控制，使鋼結(jié)構(gòu)的可靠性得到提升。 焊接過后，施工人員分析氣候因素，合理利用低氫焊條，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象。 當(dāng)焊接完成后，施工人員需要科學(xué)進(jìn)行消氫處理，有效預(yù)防脆性斷裂問題。

3.4 預(yù)防層狀撕裂問題的預(yù)防

為了實(shí)現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計， 需要有效預(yù)防層狀撕裂問題。 鋼材層狀撕裂，也可稱之為夾灰，情節(jié)嚴(yán)重將會影響鋼材的強(qiáng)度，不利于鋼材功能和作用的體現(xiàn)。 所以，針對層狀撕裂問題的預(yù)防，需要選擇合適的坡口，且在焊接處理之前，采取超聲波探傷檢查方法，避免出現(xiàn)分層或裂紋。 另外，施工人員還可以采用低氫焊條，預(yù)防、解決層狀撕裂問題[5]。

3.5 殘余應(yīng)力的合理控制

鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計必須結(jié)合實(shí)際，合理控制殘余應(yīng)力。 因?yàn)闅堄鄳?yīng)力可能影響到鋼結(jié)構(gòu)的剛度性能，所以在控制中，建議施工人員重點(diǎn)分析焊件薄弱的點(diǎn)位，避免出現(xiàn)裂縫。 例如，部分弧形構(gòu)件的加工尺寸不合理，或是在組裝環(huán)節(jié)使用油泵、千斤頂?shù)裙ぞ哐b配，面臨焊接電流過大的狀況，也會影響焊接效果，繼而造成殘余應(yīng)力。 總結(jié)處理方法，建議采用熱處理法和加載法。 為了保證殘余應(yīng)力控制的合理性， 還可以選擇回火法，有利于優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)性能。

4 結(jié)語

寧夏興墾牧業(yè)有限公司第二奶牛場建設(shè)項(xiàng)目按照鋼結(jié)構(gòu)情況，提出了改進(jìn)與優(yōu)化的建議，經(jīng)過改進(jìn)的建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提升，可有效延長其使用期限。

根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖ摻Y(jié)構(gòu)施工建設(shè)要求制訂改造優(yōu)化方案，分別提出構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、建筑材料的要求，即加大翼緣厚度、腹板厚度、截面高度等，方法滿足計算結(jié)果，加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)控制，應(yīng)用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式，延長鋼結(jié)構(gòu)使用壽命。

通過此次研究，按照既有建筑物鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要求，理論聯(lián)系實(shí)際，切實(shí)減少了建設(shè)投資，滿足了奶牛場項(xiàng)目的使用功能。