钢桁架塔是电力传输、通信信号的“空中骨架”，但你知道吗？这些看似坚固的“钢铁巨人”，可能因一个毫米级的小缺口，悄悄变“重”了。近日，土耳其巴伊布尔特大学团队通过粒子群优化（PSO）和萤火虫算法（FA）两种智能优化技术，首次量化了缺口（如加工凹痕、长期腐蚀坑）对钢桁架塔最优重量的影响——考虑缺口后，结构重量最多增加8%，最少也有1%。这一发现为钢桁架塔的轻量化设计敲响了“安全警钟”。

缺口：钢桁架的“隐形增重剂”

钢桁架由无数钢杆连接而成，理想状态下，每根钢杆受力均匀。但实际中，制造时的切割痕迹、长期使用的腐蚀，甚至材料本身的微小缺陷（统称“缺口”），会让钢杆局部出现“应力集中”——就像用指甲掐气球，局部压力突然变大。传统优化设计常忽略这些“小伤口”，但研究发现，缺口处的应力可能比正常区域高50%（应力集中系数K=1.5），导致原本选好的钢杆“不够用”，必须换更粗的型号，结构重量随之增加。

两种算法“较劲”：FA更擅长找轻量方案

为了精准计算缺口对重量的影响，团队用了两种“智能优化员”：

• 粒子群优化（PSO）：模仿鸟群觅食，每个“粒子”代表一种钢杆组合，通过分享“最优位置”逐步找到最轻方案；
• 萤火虫算法（FA）：模仿萤火虫发光吸引，通过“亮度”引导群体向更优解移动，更擅长探索复杂问题。

测试对象是4类经典钢桁架塔（25杆、72杆、52杆、582杆），覆盖从简单到超复杂的结构类型。结果显示：不考虑缺口时，FA总能找到更轻的方案（比如25杆塔FA重量2.17kN，比PSO轻0.01kN）；但一旦考虑缺口，两种算法都得“加码”——钢杆需加粗，重量随之上升。

缺口越“狠”，增重越明显

具体来看：

• 25杆小型塔：缺口让重量从2.17kN增至2.21kN（+1.8%），像给“小瘦子”加了件薄外套；
• 52杆中型塔：重量从18.32kN飙升到20.03kN（+8.5%），相当于“中等身材”突然胖了一圈；
• 582杆超大型塔：因结构复杂、钢杆数量多，缺口影响被“稀释”，仅增重1.3%，但绝对值仍达1673.6kN（约167吨），相当于多装了30辆小汽车。

设计别“贪轻”：缺口可能藏安全隐患

研究还发现，缺口不仅让结构变重，更可能埋下安全隐患。比如52杆塔原本钢杆应力刚好用到100%设计值，缺口一出现，应力直接“爆表”，必须换更粗的钢杆才能满足安全要求。团队提醒：如果设计时完全忽略缺口，可能为了“轻量化”选了过细的钢杆，实际使用中缺口处应力超标，导致结构提前失效。

未来：给“隐形伤口”加道“防护锁”

目前，这项研究已通过SAP2000软件验证，结果与实际模拟高度一致。团队表示，下一步将探索多缺口叠加的影响（比如钢杆上有多个凹痕），并研发更精准的“缺口风险评估模型”，帮助工程师在设计阶段就预判哪些位置易受缺口影响，提前“加固”或调整钢杆型号。

从25杆的“小骨架”到582杆的“巨无霸”，这项研究揭示了一个关键真相：钢桁架塔的轻量化，不能只盯着“理论最优”，更要正视材料的“不完美”。未来，或许每根钢杆的设计图上，都该多标一个“缺口风险值”——毕竟，安全的“轻”，才是真的“轻”。

来源: FrontCIVlL