第37卷第5期2010年5月
湖南大学学报(自然科学版)
Journal of H unan U niversity(Nat ur al Sciences)
Vo l.37,N o.5
M a y12010
文章编号:1674-2974(2010)05-0012-07
新广州站三向张弦梁结构优化设计*
蔡建国,涂展麒,冯健-
(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,江苏省预应力工程技术研究中心,南京210096)摘要:基于运用A PDL语言对新广州站工程三向张弦梁结构建立的参数化模型,利用一阶优化方法,对初始结构进行全构件截面和形状参数的综合优化.并在矢高和垂度确定
的情况下,分别采用分级优化和综合优化分析了构件截面的合理取值.分析结果表明:矢高
和垂度是三向张弦梁结构设计中极为重要的设计参数,新广州站三向张弦梁结构的最佳矢
高为9.189m,其垂跨比应不小于0.034,下弦垂度和上弦矢高的经济比值为0.22~0.23.
上弦拱构件在结构中占的比重较大,可以通过减小拱截面的壁厚来降低结构的用钢量.并通
过综合优化得到新广州站三向张弦梁的最佳梁弦刚度比为1.23@10-4.
关键词:张弦梁;优化设计;矢高;垂度;刚度比
中图分类号:TU394文献标识码:A
Optimization Design of T r-i directional Beam String
Structure of New Guangzhou Railw ay Station
CA I Jian-guo,T U Zhan-qi,FEN G Jian-
(K ey L abor ator y of C&RC St ruct ur es o f M inistr y of Education,Engineer ing Research Center for
Pr est ress o f Jiang su Pro vince,Southeast U niv,Nanjing,Jiang su210096,China) Abstract:T he APDL languag e w as used to obtain the param eter model o f tr-i directio nal beam string structure(T BSS)of new Guang zho u Railw ay Station.T hen design optim ization w as conducted for the ef-fective cross-sections and g eometry parameters of TBSS w ith the first-order method.And w hen the rise and sag w ere fixed,the proper structural cro ss-sectio n w as also discussed w ith graded and integrated opt-i m ization method respectiv ely.T he r esults show that the rise and sag are very im po rtant desig n parameters of TBSS.The optimum rise of upper arch o f T BSS fo r new Guang zhou Railway Statio n is9.189m;the sag to span r atio of cable is not less than0.034;the econom ical rise to sag ratio is abo ut0.22~0.23.It can a-l so be found that the w eight r atio of upper arch elements to the w hole structure is lar ge,so the amo unt of steel can be reduced by decreasing the thickness of upper arches.And the optim um rig idity ratio of beam to cable of T BSS o f new Guangzho u Railw ay Station is1.23@10-4by integ rated optimizatio n.
Key words:beam string structure;optimum desig n;rise;sag;rig idity r atio
张弦梁结构是近二十年来快速发展和广泛应用的新型大跨空间结构.日本M.Saitoh教授于20世纪80年代提出了张弦梁结构的概念,从建筑设计和结构性能两个方面解释了应用该结构的原因:从建筑设计角度看,对于不同的空间形式和尺寸,索拱结构的拱和弦有很大的选择余地;从结构角度看,通过
*收稿日期:2009-10-28
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50478075);东南大学优秀博士学位论文基金资助项目(YBJJ0817)作者简介:蔡建国(1984-),男,江苏靖江人,东南大学博士研究生
-通讯联系人,E-mail:fen gjian@s https://www.doczj.com/doc/00462506.html,
第5期蔡建国等:新广州站三向张弦梁结构优化设计
在弦上施加预应力,可以有效地改善结构的受力性能和刚度[1].
上世纪末,我国兴起了建造大跨度空间结构的热潮.张弦梁结构造型新颖,受力明确,外观造型设计的自由度大,受到了建筑师的青睐,在很多工程中得到了应用,例如:上海浦东机场航站楼[2],广州国际会展中心[3],哈尔滨国际会展体育中心[4].在工程应用的同时,国内学者对张弦梁结构的形态、预应力作用机理和优化、静动力性能、稳定性能进行了相关理论分析和试验研究.同济大学对浦东机场的R2钢屋架进行了足尺试件的张拉和加载试验及三向地震台振动试验研究[2,5].董石麟等对平面张弦梁结构的形态分析进行了研究,提出了以初应变为媒介的改进逆迭代法[6].赵宪波等也对张弦梁的问题进行了深入研究,根据该类结构的受力特点,提出了分级卸载法[7].陈志华等采用频域分析法对一工程实例平面张弦梁结构进行了风致响应分析[8].陈以一等基于正交试验设计思想,设计了11组考虑梁弦刚度比、矢跨比、撑杆数量、临时支架和施工顺序等参数影响的张弦梁模型并进行张拉试验[9].薛伟辰等基于ANSYS优化后的张弦梁为原型,通过缩尺模型试验和非线性有限元分析,对原型结构的预应力张弦梁在张拉阶段、正常使用阶段以及承载力极限阶段的全过程受力性能进行了研究[10].
现阶段的研究和工程实践大多针对单向张弦梁结构体系,只有很少的工程采用了双向张弦梁结构体系[11,12].还有部分学者将张弦梁的思想引入到单层网壳中形成张弦网壳结构[13-15].但总的来说,目前国内外对于空间张弦梁的研究还处于起步阶段,很多问题没有达成共识.
有鉴于此,本文对新广州站三向张弦梁结构设计中人们所关心的几个重要问题进行了探讨.本文所研究的三向张弦梁结构属于新的空间张弦梁结构形式.与单向张弦梁结构不同,三向张弦梁结构的空间作用较为明显.此结构形式的应用在国内尚属首次.本文运用APDL语言对三向张弦梁结构进行参数化建模,以结构优化设计方法为依托,对三向张弦梁结构设计中的矢高、垂度和构件截面的合理取值进行了讨论.
1计算模型
111工程概况
新广州站站房南北长448m,东西纵深398m,总建筑面积565827m2,其中铁路客运用房建筑面积214651m2,无站台柱雨棚投影面积207184m2,站台停车场建筑面积143992m2,站房设计高峰人流量超过2.8万人,建成后有望成为亚洲最大的火车站.
新广州站的屋盖结构主要由南北两侧无站台柱雨棚、主站房屋顶、中央采光带、东西主入口屋顶四部分组成,如图1所示.其中南北两侧无站台柱雨棚和主站房屋顶的主要结构形式为内凹式索拱,单榀索拱跨度约50~68m.东西主入口屋盖的主要受力构件即为本文的研究对象)))三向张弦梁,如图2所示.其平面成Y形,两个方向的跨度分别为74.5m 和58.4m.上弦采用圆钢管,在/Y0的根部为两榀平行拱,然后往两边分开,形成两个分支.下弦拉索,在/Y0的根部为双索,然后往两边分开变为单索.撑杆采用圆钢管,与上弦拱的连接形式为单向铰接
.
图1新广州站工程屋盖结构透视图
Fig.1Ex terior v iew of ro of o f New
G uang zhou Railw ay Statio
n
图2三向张弦梁结构有限元模型
Fig.2Finite element mo del of tr-i dir ectional
beam str ing structure
112有限元模型
基于大型商业软件ANSYS10.0,运用APDL 语言对三向张弦梁结构建立参数化模型,即模型中的变量均以参数或函数的形式表示.为了方便对三向张弦梁上弦构件截面的外径和壁厚进行控制,有限元模型中采用直梁管单元PIPE16,撑杆单元采用空间二力杆单元LINK8,下弦拉索采用只拉不压单元LINK10.三向张弦梁的上弦所有构件均在同一柱面内,因此可将结构模型的所有节点的竖向坐标
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湖南大学学报(自然科学版)2010年
以函数的形式表示,即都是所在柱面半径R 的函数.通过换算,同样可以得到三向张弦梁的矢高f 和垂度C 都是R 的函数.这样可方便在分析过程中通过修改柱面半径R 来对矢高和垂度进行优化.有限元模型如图2所示.
屋面恒载在三向张弦梁Y 形两分支间0.7kN/m 2,其余为0.5kN/m 2,活荷载为1.0kN/m 2,风荷载为1.8kN/m 2
,温度作用-30e 和+40e .优化过程中考虑了起控制作用的几个设计工况,包括:(1)1.2恒载+1.4活载;(2)1.2恒载+1.4风载;(3)1.2恒载+0.98活载+1.4风载+1.0升温;(4)1.2恒载+0.98活载+1.4风载+1.0降温.113 计算方法的确定
利用AN SYS 参数化语言APDL 编程,对三向张弦梁的上弦矢高、下弦垂度、构件截面等进行优化.AN SYS 提供了零阶方法和一阶方法两种优化方法.一阶方法通过对目标函数添加罚函数将问题转化为非约束的优化问题,然后使用因变量对自变量的偏导数进行梯度计算,从而确定搜索方向,并用线性搜索法对非约束问题进行最小化.由于一阶方法的精度较高,本文使用一阶方法进行优化.ANSYS 优化程序的总体流程如图3所示[10]
.图中优化变量可分为三类:设计变量x 是由设计中需优选的设计参数组成的向量,每一个向量代表一个设计方案,设计向量的集合为设计空间;F (x )为目标函数,是设计变量的函数,用来评价设计方案的优劣,优化问题即为求目标函数的极值;约束条件g i (x )称为状态变量,只有符合状态变量要求的设计才是合理的设计
.
图3 AN SY S 优化程序流程图
F ig.3 Pro cedure of the A N SYS design optimization
优化问题的数学模型可表示为:min F x =F x 1,x 2,,,x n ,
g i x =g i x 1,x 2,,,x n [or=or \0,i =1,2,,,m,X =x 1,x 2,,,x n
T
.(1)
本文的目标函数为:结构的用钢量最小.设计变量的约束条件即状态变量为:
$i [[$],R j [[R ],K k [[K ].
(2)
其中,[$],[R ],[K ]分别为挠度限值、应力限值和长细比限值;$i 为节点i 的最大挠度;R j 为单元j 的最大应力;K k 为单元k 的长细比.取挠度限值为较大跨度的1/400,即[$]=186.3m m;控制构件的应力比为0.8,对应于Q345钢材取应力限值[R ]=276M Pa ;保证预应力拉索有3倍的安全系数,对于抗拉强度为1670M Pa 的拉索取应力限值[R ]=556M Pa ;对于撑杆构件取长细比限值[K ]=150.
2 三向张弦梁形状参数的确定
211 上弦矢高的优化
在改变结构上弦矢高的同时,可以通过改变结构构件的截面,使结构应力满足状态变量要求的情况下降低结构的用钢量.选取三向张弦梁结构的所有截面参数和矢高作为设计变量,对初始结构进行全构件截面和矢高综合优化.目标函数:
W(O D 1,TK 1,OD 2,TK 2,OD 3,TK 3,n,IS,f )=
E i
Q b l b A
b
+
E j
Q s l s A
s
.(3)
式中:W 为结构的总重,是截面尺寸和矢高的函数,其中OD 为截面外径,T K 为截面壁厚;Q b 和Q s 分别为梁(杆)构件和拉索的密度;l b 和l s 分别为(杆)构件和拉索的长度;A b 和A s 分别为梁(杆)构件和拉索的截面积;n 为5s
5钢丝的根数;I S 为对拉索单元施加的初始应变;f 为结构上弦矢高.
结构的优化结果如图4所示.由图4(a)可知:矢高对三向张弦梁结构的用钢量影响较大,通过全构件截面和矢高综合优化可以显著降低结构的用钢量.优化过程中,结构用钢量存在极小值.当矢高f <9.189m 时,随着矢高的增大,结构的刚度增大,结构构件的优化效果明显,通过优化用钢量显著降低.当矢高跨越极值点后,矢高继续增大对结构刚度的影响逐渐变小,用钢量缓慢增长的原因是矢高增
大使上弦拱和撑杆构件的长度增大,截面尺寸略有增加.从降低用钢量的角度来看,当矢高取9.189m 时,在上弦构件的截面尺寸较小的情况下就能满足设计要求,此时结构用钢量得最小值.当矢高在
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第5期蔡建国等:新广州站三向张弦梁结构优化设计
6.651~9.189m之间变化时,结构的竖向位移变化
较小,当矢高超过9.189m时,竖向位移下降明显.
这是因为:在矢高达到9.189m之前,矢高增大使
结构刚度增大,同时上弦构件截面尺寸变小使结构
的刚度变小,二者通过优化过程保持一定的平衡,即
满足状态变量的边界条件要求;当矢高超过9.189
m后,虽然随着矢高的增大,结构刚度的增大趋势
变缓,但此时结构构件截面尺寸略有增大,因此竖向
位移明显变小.矢高取9.189m,上弦拱和拉索的应
力存在极大值点,但整个结构的构件应力比在优化
过程中变化不大,优化过程由挠度限值控制.
矢高/m矢高/m
(a)用钢量(b)竖向位移
矢高/m矢高/m
(c)构件应力(d)拉索应力
图4上弦矢高优化结果
Fig.4O ptimizat ion results fo r structural rise
综上分析,当矢高取为9.189m时,结构的用
钢量最低.但当矢高从9.189m增大至12m的一
段区间内,结构的用钢量虽有微小的增长,约为
8.9%,而结构的挠度能够得到显著的降低,约为
12.7%.同时拉索应力也降低了7.0%.因此在建筑
形式允许的前提下,可以适当地继续增大上弦拱的
矢高,使结构具备更高的安全储备又能较大地节省
用钢量.
212下弦垂度的优化
为了考察下弦垂度的经济取值,对初始模型进
行全构件截面和垂度综合优化.目标函数为:
W(OD1,TK1,O D2,TK2,O D3,TK3,n,IS,C)=
E i Q b l b A b+E
j
Q s l s A s.(4)
其中,C为结构下弦垂度.
优化结果如图5所示.从图中可以看出,垂度也是影响三向张弦梁结构用钢量的重要因素,通过全构件截面和垂度综合优化同样可以显著降低结构的用钢量.优化过程中,随着垂度的增大,结构的用钢量呈下降趋势,当垂度增大到2.5m以后,结构的用钢量趋于稳定,变化不大.而在优化过程中结构的竖向位移随垂度的增大而增大,当垂度增大到2.5m 后,竖向位移的变化趋于平缓.但总体来说,优化过程中结构的竖向变形受垂度的影响较小.结构构件的应力比在整个优化过程中变化很小,拉索的应力随着垂度的增大而增大,但当垂度增至2.5m后,拉索的应力基本保持不变.因此通过优化可以得到三向张弦梁结构的经济垂度应大于2.5m,即垂跨比应大于0.034.
垂度/m垂度/m
(a)用钢量(b)竖向位移
垂度/m垂度/m
(c)构件应力(d)拉索应力
图5下弦垂度优化结果
Fig.5O ptimization results fo r structural sag
213整体优化
三向张弦梁结构的上弦矢高和下弦垂度对结构的用钢量影响很大,前面通过优化的方法分别确定了二者的最佳取值.本小节将继续借助优化方法,通过对初始模型进行全构件截面和矢高、垂度的综合优化确定矢高和垂度的合理比值.令三向张弦梁结构下弦垂度与上弦矢高的比值为A.优化过程中,结构的一些参数随A变化如图6所示.当A较小时,用钢量的变化较为平缓;当A=0.224时,用钢量得最小值,随着A的继续增大,用钢量明显增大.结构的竖向位移,当A较小时,随着A的增大迅速攀升到极大值;当0.23 综上分析,用钢量受垂度和矢高的比值影响较大,当A在0.22~0.23之间变化时,结构的用钢量较低.下弦拉索的应力受垂度和矢高比值的影响也 15 湖南大学学报(自然科学版)2010年 比较明显,虽然垂度和矢高的比值增大可以在一定程度上改善下弦拉索的应力状况,但伴随而来的是用钢量的攀升.因此,从经济的角度来看,在三向张弦梁结构设计中,控制下弦垂度和上弦矢高的比值在0.22~0.23左右是较为经济的. 垂度/矢高垂度/矢高 (a)用钢量(b)竖向位移 垂度/矢高垂度/矢高 (c)构件应力(d)拉索应力 图6整体优化结果 Fig.6O ptimizat ion results fo r w ho le str ucture 3三向张弦梁构件截面合理取值的确定 由于受到建筑外形以及结构净高的限制,三向张弦梁结构的上弦矢高和下弦垂度的取值可能不是最优值或者较为合理的取值.在矢高和垂度限定的情况下,合理地选取构件截面同样可以调整结构的内力分布,改善结构的受力性能,同时也可以降低结构的用钢量和造价.分别采用分级优化和综合优化两种方法对三向张弦梁结构的构件截面进行优化,并对结果进行比较.其中分级优化过程分为三个步骤:第一级优化上弦截面,第二级优化撑杆截面,第三级优化下弦拉索截面.综合优化则一次性对结构的所有构件截面进行优化. 311分级优化 第一级优化为上弦截面的优化,其目标函数可表示为: W(OD1,TK1,OD2,TK2)=E i Q b l b A b+ E j Q s l s A s.(5)优化结果见表1.优化后结构总用钢量为116.62t,但由于优化后上弦构件截面不符合型钢规格,故根据型钢规格对上弦构件截面进行修正.最后得到优化后的结构总用钢量为117.44t,比优化前节省钢材约26.8%.从表中同样可以看出,上弦构件的截面优化由结构的挠度限值控制. 表1上弦截面优化结果 Tab.1Optimization results for beam cross-section 变量名初始值收敛容差优化结果修正后结果 DM AX153.4 1.86187.0185.7 S BAR40 2.763939 S BE AM1136 2.76190189 S BE AM227 2.763232 S S358 5.56367367 OD18501841.4850 OD23251324.1325 TK130120.020 TK212111.912 WE IGH T160.35)116.62117.44 注:表中DM AX为结构最大竖向位移(mm),SBAR为撑杆应力(M Pa),S BEAM1为上弦拱应力(M Pa),SBEAM2为上弦拱连杆应力(M Pa),S S为拉索应力(M Pa),W EIGH T为结构用钢量(t). 在第一级优化结果的基础上进行第二级优化(撑杆截面的优化),其目标函数可表示为: W(OD3,TK3)=E i Q b l b A b+E j Q s l s A s(6) 撑杆截面的优化结果见表2.优化结构总用钢量为107.68t,但由于优化后撑杆构件截面不符合型钢规格,故根据型钢规格对撑杆构件截面进行修正.最后得到优化后的结构总用钢量为108.49t,比上一级优化节省钢材7.6%.由于撑杆的数量较少,所以节省的用钢量较低. 表2撑杆截面优化结果 Tab.2Optimization results for strut cross-section 变量名初始值收敛容差优化结果修正后结果 DM AX185.7 1.86187.8187.4 S BAR39 2.768074 S BE AM1189 2.76186186 S BE AM232 2.763232 S S367 5.56366366 K74.28183.5083.44 OD34001350.0351 TK31618.29 WE IGH T117.44)107.68108.49 在第二级优化结果的基础上进行第三级优化.在该级优化中,预应力的引入采用初始应变法,根据初始模型的预应力值得到施加于拉索单元上的初应变为0.0015.分析过程中通过变化拉索的截面和初应变来达到优化的目的.优化过程的目标函数为: W(n,IS)=E i Q b l b A b+E j Q s l s A s.(7) 而优化结果显示:在上弦构件和撑杆构件截面优化的基础上,下弦拉索已无继续优化的空间,选用 16 第5期蔡建国等:新广州站三向张弦梁结构优化设计 5s5@337预应力拉索截面对于分级优化方法来说已是最优截面. 通过三级优化,得到优化后结构总用钢量为108.49t,比优化前节省钢材达32.3%.尤其对于上弦拱来说,优化的结果是非常明显的.从以上优化分析可以看出,采用分级优化方法对三向张弦梁结构的构件截面进行优化设计,可以合理地控制结构的挠度和结构构件的内力,使结构的性能得到充分的发挥.而且通过优化可以有效地降低用钢量,从而降低造价. 312综合优化 采用综合优化的方法同时对三向张弦梁结构的全部构件截面进行优化设计.优化过程的目标函数: W(OD1,TK1,OD2,TK2,OD3,TK3,n,I S)= E i Q b l b A b+E j Q s l s A s.(8)综合优化的结果见表3.对三向张弦梁结构进行全构件截面的综合优化可以得到比分级优化更好的结果,用钢量降低至105.92t,比优化前降低33.9%.与分级优化相比,综合优化使各构件之间的优化程度得到更合理的调整,下弦拉索截面的增大和预应力的提高,使结构的整体刚度增大,从而使上弦拱的截面得到进一步的优化;上弦拱和下弦拉索的应力相对提高,结构的性能得到更充分的发挥. 表3结构综合优化结果 Tab.3Integrated optimization results 变量名初始值收敛容差优化结果修正后结果 DM AX153.4 1.86187.6187.5 SBAR40 2.764039 SBEAM1136 2.76195196 SBEAM227 2.763232 SS358 5.56550544 K74.28178.7978.58 OD18501838.4850 OD23251324.0325 OD34001375.6377 TK130118.318 TK212111.912 TK316113.614 n3371345349 IS0.00150.00010.002520.00249 W EIGHT160.35)105.56105.92 分级优化的方法将结构优化设计分为三级,每级接受优化的设计变量较少,优化过程迭代次数也较少,收敛性较好,消耗机时较短,但后一级优化的空间可能会受到上一级优化结果的限制,最后得出的优化结果可能不是最优解.综合优化一次性对结构的所有构件进行优化设计,接受优化的设计变量较多,优化过程迭代次数较多,消耗机时较长.且优化过程中需要精确地调整设计变量的取值范围才能较好地收敛,得到最优解.在结构优化设计过程中,应根据实际情况来选择优化的方法.建议对于构件种类相对较少的结构采用综合优化的方法进行优化设计,对于构件种类繁多的构件采用分级优化的方法进行优化设计. 从以上两种优化方法的结果可以看出,上弦拱构件在整个三向张弦梁结构中的比重较大,在满足容许应力及挠度限值的条件下,通过优化减小了上弦拱截面的壁厚,从而降低了结构的用钢量. 从综合优化的结果可以看出,优化后下弦拉索的截面和预应力均略有增加,上弦拱截面较分级优化减小.说明对于本文所研究的三向张弦梁结构,可以通过调整梁弦刚度比来改善结构的受力性能.即在拱满足容许应力和挠度限值的前提下,通过增大下弦拉索的截面积和预应力可以在结构保持一定刚度的情况下减小上弦拱的截面尺寸,从而使结构的用钢量得到降低.梁弦刚度比A是影响张弦梁结构力学性能的主要参数,其数学表达式如下: A=E b I z/(E c A c L2)(9)式中:E b,E c分别表示刚性构件和索的材料弹性模量;I z,A c分别表示刚性构件绕垂直结构平面主轴的惯性矩和索的截面面积;L为结构的跨度. 对于本文所研究的三向张弦梁结构,综合优化得到最佳梁弦刚度比为1.23@10-4. 4结语 本文对三向张弦梁结构设计中若干问题进行了深入分析,可得结论如下. 1)适当地增大上弦拱的矢高可以有效地提高结构的刚度,减小结构的挠度,并且降低拱身的轴向应力和弯曲应力.但矢高增大到一定程度后,将对结构的受力性能产生不利的影响,竖向变形和轴向应力的减小趋势变缓,而弯曲应力则逐渐增大. 2)适当地增大下弦的垂度可以提高结构的刚度,减小结构的挠度,并且降低拱身的轴向应力和弯曲应力,改善结构的受力性能,但下弦垂度过大同样会对结构产生不利的影响. 3)当结构矢高和垂度受到建筑外观形式以及结构净高的限制时,它们的取值一般不是最优值.在这种情况下,结构构件截面的优化就显得尤为重要,合 17 湖南大学学报(自然科学版)2010年 理的构件截面取值同样可以使用钢量得到一定程度的降低.通过本文分析,得到三向张弦梁结构的最佳梁弦刚度比为1.23@10-4. 致谢:感谢北京市建筑设计研究院盛平、甄伟,中铁第四勘察设计院陈强、沈婷以及广州新客站工程建设指挥部的各位专家领导的支持和帮助. 参考文献 [1]S AITOH M.S tu dy on m echanical ch aracteristics complex s tructure composed of a mem brane and a beam of a ligh t- w eight string s tructure[C]//IASS S ymposium on S patial Lattice and Tension Structures,Atlanta,GA,U SA,1994: 633-641. 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H H H D D D tDH H B P H B ED tDH H B P ≤≤≤≤≤++≤ +σ πππ) ()(8)(22222 22 122 桁架结构优化设计 一般所谓的优化，是指从完成某一任务所有可能方案中按某种标准寻找最佳方案。结构优化设计的基本思想是，使所设计的结构或构件不仅满足强度、刚度与稳定性等方面的要求，同时又在追求某种或某些目标方面（质量最轻，承载最高，价格最低，体积最小）达到最佳程度。 对于图1-1的结构，已知L=2m，x b=1m，载荷P=100kN，桁架材料的密度r=7.7x10-5N/mm3，[δt]=150Mpa，[δc]=100Mpa，y b的范围：0.5m≦y b≦1.5m。 图1-1 桁架结构 设计变量与目标函数（质量最小） 预定参数（设计中已确定，设计者不能任意修改的量）：L ， x b ，P ，r ，[δt ] ，[δc ] 设计变量（可由设计者调整的量）y b ，A 1，A 2 约束条件（对设计变量的约束条件） （1） 强度条件约束（截面、杆件的强度） （2） 几何条件约束（B 点的高度范围） 目标函数：桁架的质量W （最小） 解：1. 应力分析 0sin sin 02112=--=∑θθN N F x 0cos cos 02112=---=∑P N N F y θθ 由此得： )sin(sin 2111θθθ+= p N ) sin(sin 212 2θθθ+- =p N 由正弦定理得： l y l x p N B B 2 1) (2 -+= l y x p N B B 2 22 += 由此得杆1和2横截面上的正应力 1 2 1) (2 lA y l x p B B -+= σ 2 2 22 lA y x p B B += σ 2.最轻质量设计 目标函数（桁架的质量） ))((2 2 2 1 2 2 B B y x A y l x A W B B ++-+=γ （1-1） 约束条件 [][]? ? ? ?? ????? ????≤+≤-+c B t B lA y x p lA y l x p B B σσ2 2 1 2 22 ) ( （1-2） 0.5≦y b ≦1.5（m ） （1-3） （于是问题归结为：在满足上述约束条件下，确定设计变量y b ，A 1，A 2，使目标函数W 最小。） 3．最优解搜索 采用直接实验法搜索。首先在条件（1-3）所述范围内选取一系列y b 值，由强度条件（1-2）确定A 1与A 2，最后根据式（1-2）计算相应W ，在y b -W 曲线中选取使W 最小的y b 与相应的A 1与A 2，即为本问题的最优解。 4．利用MA TLAB 编程 （1）分析目标函数和约束条件 第一章 第章基础 1、基础类型： ? 天然地基基础 ?复合地基→天然地基+增加体（柔性桩、刚性桩）? 桩基：常规桩基 后处理加强的后注浆钻孔灌注桩 先处理加强的劲性复合予制静压桩 第一章第章基础 ? 天然地基承载力不宜低于预期复合地基承载力的百分之四 十软土地基上采用复合地基要慎重组成复合地基的增采用复合地基应注意： 十，软土地基上采用复合地基要慎重。组成复合地基的增强体桩基，应具备一定刚度，并且不能是端承桩；随着复合地基承载力需求增大增强体桩基的支承刚度与 ? 随着复合地基承载力需求增大，增强体桩基的支承刚度与桩身强度，要求也需相应提高，对于20层~30层的高层建筑不宜采用单纯摩阻桩桩端进入较好的持力层但持筑，不宜采用单纯摩阻桩，桩端进入较好的持力层。但持力层不宜是强风化以上的岩层，桩身强度承载力要满足计算底板与桩基持力层选择需慎重 算，底板与桩基持力层选择需慎重。 第一章南京某小区复合地基事故第章基础 南京某小区复合地基事故： 该小区位于河西，七层砖混住宅，场地内有深厚的淤泥质软土层，增强体刚性桩未穿过软土层，施工也存在质量问题，建造过程中一直到结构封顶，沉降持续发展，最后采用锚杆静桩较好的才控制住降静压桩，压入深层较好的土层，才控制住沉降。最近几年，我们做了一批20层~30层100米以内的高层剪力墙住宅，采用刚性桩复合地基都取得成功。例如：淮安恒大、淮安中南、合肥融侨等都是20万~30万㎡的高层住宅小区，天然地基承载力约在200k 左右采用予应力管桩作为增加体然地基承载力约在200kpa左右，采用予应力管桩作为增加体， 复合地基承载力可达到500Kpa左右 甘蔗收获机机械台架虚拟样机 结构优化设计 摘要：结构优化设计就是寻求满足约束条件下的最佳构建尺寸、结构形式以及材料配置方式。利用有限元方法对虚拟样机台架结构进行分析，并采用一阶方法对台架进行优化，预估出经验设计结构上的最危险点，并对结构进行改造和优化，可以保证结构综合应力在材料的许用应力范围内，对结构轻量化，合理分配材料，大大缩短研制周期，降低设计成本，为虚拟样机的创新设计可以提供一种新的设计及优化设计方法。 关键词：甘蔗收获机；优化设计；模态分析；一阶方法 引言：甘蔗作为重要经济作物在全世界范围内广泛种植，中国的种植面积在世界位居第三位，成为我国制糖，轻工，化工和能源的重要原料，对整个国民经济的发展都有重要的地位和作用。甘蔗收获包括切梢、切割、清理和装运等工序，为甘蔗生产过程中劳动强度最大，费工费时，成本最高的一个环节。在我国，甘蔗成产机械化程度低，随着人工收获成本的逐年增加，我国糖业面临着巨大的竞争压力，实现甘蔗收获机械化的要求愈加迫切。随着设计理论与设计理念的发展，对虚拟样机进行优化设计能改进凭经验设计出现的缺陷以及预估结构或机构的最危险点，从而对其进行改造和优化，对设计结果及时进行审查，并及时反馈给设计人员，实现了设计过程中的快速反馈，按照优化后的设计方案进行物理样机研制，可以避开预估的缺陷和危险点，从而使结构更趋于合理，降低了制造成本，大大缩短了设计和产品研制周期，还可以保证将错误消灭在萌芽状态。 虚拟样机技术[ 1]为这类创新产品的开发提供了强有力的手段。甘蔗收割机在工作过程中, 要经历扶蔗、砍蔗、输送、断尾以及剥叶等动作, 承受的都是动态载荷, 而结构的固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数, 因此本文采用通用有限元分析软件ANSYS对甘蔗收割机机架结构部件进行模态分析, 根据机架结构的低阶模态和振型, 确定对机架结构是进行动力刚度优化还是静力强度优化。 1.机架结构模型建立 《结构优化设计》 大作业报告 实验名称: 拓扑优化计算与分析 1、引言 大型的复杂结构诸如飞机、汽车中的复杂部件及桥梁等大型工程的设计问题，依靠传统的经验和模拟实验的优化设计方法已难以胜任，拓扑优化方法成为解决该问题的关键手段。近年来拓扑优化的研究的热点集中在其工程应用上，如: 用拓扑优化方法进行微型柔性机构的设计，车门设计，飞机加强框设计，机翼前缘肋设计，卫星结构设计等。在其具体的操作实现上有两种方法，一是采用计算机语言编程计算，该方法的优点是能最大限度的控制优化过程，改善优化过程中出现的诸如棋盘格现象等数值不稳定现象，得到较理想的优化结果，其缺点是计算规模过于庞大，计算效率太低;二是借助于商用有限元软件平台。本文基于matlab软件编程研究了不同边界条件平面薄板结构的在各种受力情况下拓扑优化，给出了几种典型结构的算例，并探讨了在实际优化中优化效果随各参数的变化，有助于初学者初涉拓扑优化的读者对拓扑优化有个基础的认识。 2、拓扑优化研究现状 结构拓扑优化是近20年来从结构优化研究中派生出来的新分支，它在计算结构力学中已经被认为是最富挑战性的一类研究工作。目前有关结构拓扑优化的工程应用研究还很不成熟，在国外处在发展的初期，尤其在国内尚属于起步阶段。1904 年Michell在桁架理论中首次提出了拓扑优化的概念。自1964 年Dorn等人提出基结构法，将数值方法引入拓扑优化领域，拓扑优化研究开始活跃。20 世纪80 年代初，程耿东和N. Olhoff在弹性板的最优厚度分布研究中首次将最优拓扑问题转化为尺寸优化问题，他们开创性的工作引起了众多学者的研究兴趣。1988年Bendsoe和Kikuchi发表的基于均匀化理论的结构拓扑优化设计，开创了连续体结构拓扑优化设计研究的新局面。1993年Xie.Y.M和Steven.G.P 提出了渐进结构优化法。1999年Bendsoe和Sigmund证实了变密度法物理意义的存在性。2002 年罗鹰等提出三角网格进化法，该方法在优化过程中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率。目前常使用的拓扑优化设计方法可以分为两大类：退化法和进化法。结构拓扑优化设计研究，已被广泛应用于建筑、航天航空、机械、海洋工程、生物医学及船舶制造等领域。 3、拓扑优化建模（SIMP） 结构拓扑优化目前的主要研究对象是连续体结构。优化的基本方法是将设计区域划分为有限单元，依据一定的算法删除部分区域，形成带孔的连续体，实现连续体的拓扑优化。连续体结构拓扑优化方法目前比较成熟的是均匀化方法、变密度方法和渐进结构优化方法。 变密度法以连续变量的密度函数形式显式地表达单元相对密度与材料弹性模量之间的对应关系，这种方法基于各向同性材料，不需要引入微结构和附加的均匀化过程，它以每个单元的相对密度作为设计变量，人为假定相对密度和材料弹性模量之间的某种对应关系，程序实现简单，计算效率高。变密度法中常用的插值模型主要有:固体各向同性惩罚微结构模型(solidisotropic microstructures with penalization，简称SIMP)和材料属性的合理近似模型(rational approximation ofmaterial properties，简称RAMP)。而本文所用即为SIMP插值模型。 建筑结构优化设计 摘要：建筑项目投资大，建设周期长，对其进行结构优化设计能够有效的减少投资金额。建筑结构优化设计，是实现建筑本体功能与建筑投资成本的关键手段。因此，结构工程师必须在每一个工程项目的设计中都能做到不断地探求自然法则，不懈地追求相对的最佳最优，要通过反思比较，在经验积累中不断提高自己的判断力和创新力。 一、建筑结构优化设计 1、建筑结构优化设计的基本理论 结构优化设计不应仅仅在结构本身，而应包括建筑的各方面，科学地确定建筑结构优化设计几项基本原则并有效地按照这些基本原则去进行建筑结构设计，是非常重要的。建筑结构的优化设计主要体现在建筑工程的决策阶段、设计阶段、建设阶段。在建筑工程的决策阶段，确定结构优化设计所要达到的总体目标，满足本体功能，最大程度保障安全性，缩减投资成本：在建筑工程的设计阶段，确定每一个子系统及整体结构的优化布局；在建筑工程的建设阶段，以结构优化设计为建设原则，组织建设好每一个子系统从而实现整体结构优化布局。决策阶段结构优化选择是关键，设计阶段结构优化设计是核心，建设阶段结构优化建设是基础，3个阶段互相验证、互为补充、缺一不可。 2、建筑结构优化设计的基本要求 （1）功能性 建筑是人类的基础物质生存环境，建筑结构优化的终极目标就是 为了满足人类对物质生存环境的最大化需求。对功能性的满足也不再局限于传统的实用性功能，而是增添了舒适性、美观性、协调性等多种新元素，满足人类对基础物质生存环境的更高要求。 （2）安全性 建筑作为人类生存的基础生存环境，与人类的生产、生活紧密相关，安全性成为建筑结构优化设计的必然考虑因素。一味追求建筑结构的优化设计，忽略决策阶段、设计阶段、建设阶段的安全性，其作为建筑不但没有任何实际意义，反而会给人类正常生产和生活带来致命的危害。因此，安全性是结构优化设计中的必然考虑因素。 （3）经济性 建筑结构优化设计的经济性是市场经济条件下对资源配置提出的新要求。经济性是指通过建筑结构的优化设计，最大化的节约各种材料资源，达到减少建设成本的目标。另外，各种材料资源都存在一定的稀缺特性，建筑结构的优化设计能科学合理的减少材料的使用量，节省建设材料使用成本。 二、建筑结构优化设计基本原则 1、提高建筑舒适度原则 所谓好的建筑，应是从建筑、结构、装饰装修到给排水、暖通、空调、燃气、电气安装等各专业的优化设计组合，是整体优化设计，如果仅仅是某个专业设计得好，是不可能被称作是一个好建筑的，结构设计也不能例外的；建筑结构设计要能最大程度地满足建筑平面布置、内部空间高度和建筑立面等使用功能和外形观感的要求，投入使 房屋建筑工程结构优化设计分析宋得奎 发表时间：2019-07-30T14:08:43.340Z 来源：《基层建设》2019年第14期作者：宋得奎 [导读] 摘要：在经济发展进程中，房屋建筑工程的需求及数量呈现明显的上升趋势，这就需要在增加建筑功能的基础上，不断提高房屋建筑工程的质量。 身份证号：13022119870115XXXX 摘要：在经济发展进程中，房屋建筑工程的需求及数量呈现明显的上升趋势，这就需要在增加建筑功能的基础上，不断提高房屋建筑工程的质量。房屋建筑不仅需要满足人们的居住需求，其美观性及安全性也应不断提升，而房屋建筑结构作为工程中较为重要的一部分，与建筑功能及质量密切相关，应当依托房屋建筑工程结构优化设计，提升房屋建筑的质量和使用寿命。 关键词：房屋建筑工程；工程结构；优化设计 引言 房屋建筑的结构设计是设计人员通过各种形式展现并建筑房屋建筑，有三个阶段：结构方案，结构计算、施工图设计。针对地质特点与高度，采取对房屋建筑物所在的区域进行检测，结构形式要合理采取控制，承重和结构应力分量系统要进行完善和改进。在房屋建筑结构施工中结构的设计是最基础的，房屋建筑物的安全、功能及耐久、施工成本上都有很大的影响。若结构设计出现问题，便会导致严重的危害和经济损失。我国的房屋建筑业加速发展，一些创新的结构形式大量浮出，结构设计中的问题存在很多问题。为了确保房屋建筑业的可持续发展，确保房屋建筑的质量、功能上发挥出更大的作用，针对以上问题采取相应的措施。 1房屋建筑结构设计优化的重要性 在企业施工的前期，优化施工设计方案，不仅对房屋建筑上的空间合理的安排，还能使房屋建筑物有较高的经济价值和环保价值。对设计方案进行优化，使房屋建筑单位获得更高的利润，减少了资金在施工过程中的投入，大大降低了房屋建筑单位施工成本。在房屋建筑设计上进行优化，与普通的房屋建筑设计相比，可以给房屋建筑企业带来利益的最大化，为房屋建筑单位带来更好的发展。 2结构设计优化的体现 2.1结构设计与工程造价 在房屋建筑的建设过程中，建筑的层数与建筑面积对于工程造价有着直接影响，但影响程度会受到结构差异而产生数值的变化。例如在屋盖的设计当中，屋盖不会因为层数的变化而发生投资改变，但基础部分的单位面积却会因为层数的增加而发生转变。所以，某些分部结构的建筑造价会有明显提升。另一方面，在当前的房屋建设工程当中，层数越多，单元建筑面积所分摊的占地面积也会随之下降，而层高与造价之间成正比例关系。 2.2结构设计与投资成本 建筑结构设计的目的是为了保障工程项目的合理性。按照相关研究数据的说明，建设工程成本的主要消耗受到工程设计质量的影响，例如建筑维修、工程变更等都是产生费用的主要原因。如果建筑设计考虑不到位，对于建筑结构的设计存在功能判断失误时，一旦出现工程质量事故，必然导致成本控制失衡，安全隐患的出现必将带来工程损失。 3房屋建筑结构设计优化策略 3.1引入数字化技术手段 房屋建筑结构设计内容有较为悠久的历史，在不同文化环境中形成了风格各异功能明显的建筑空间。在时代资讯条件与技术水平的影响下，通过交流与创新，形成了多种类型的结构设计方案[2]。在对特定建筑项目展开设计工作的过程中，可以尝试通过数字化技术手段，完成结构设计方式的选择与应用。尤其是在数字化程序软件的应用中，对于房屋建筑结构设计，产生了典型的积极影响，是提高设计质量的主要途径与关键手段。例如，北京奥运会的主体育馆“鸟巢”（如图1所示），在进行设计的过程中，其设计师赫尔左德、德梅隆引入了数字化的技术方法，通过计算机软件程序与硬件系统的计算能力，对结构中的细化参数进行分析与计算，并在完成设计数据计算的基础上，对系统使用中的合理性作出全面的辩证分析，以此保证“鸟巢”在结构设计的合理性，为其在结构稳定性的基础上，增添了美观表现效果，提高了应用价值。对此，为了保证数字化技术手段的应用条件，需对房屋建筑结构设计的业务能力进行优化升级，使其能够适应计算机程序的使用，并在合理利用先进辅助软件程序的基础上，保证设计内容的科学性。 3.2提高房屋建筑结构设计的协调性 现代房屋建筑工程中涵盖较多细化内容，需要精准掌控结构设计的关键点，将工程的各个环节高效衔接，促使其协调性不断提升，因此，该项工作不仅内容繁多，更具有一定的复杂性。以往房屋建筑结构设计的侧重点是房屋外观，内在结构被忽视，而结构设计优化则能在优化内部结构的基础上，促使内、外结构设计相协调，这不仅能合理缩减工程成本，更能提高房屋建筑的整体优势，促使其功能得到充分发挥，进一步提高结构设计的合理性及有效性。 3.3以结构设计规范为主导 结构优化设计与普通的结构设计相比，专业性及合理性明显提高，因此对设计人员的技术水平要求更高，不仅需要具备较强的专业能力及素养，更应当具有丰富、成熟的设计经验，并做到严格按照结构设计规范进行设计。但是结构设计规范所涉及的范围较广,无法为结构设计提供全面的参考依据，部分规范在设计中的适用性较弱，如果只是硬性地照搬规范，就会降低工程的安全指标，因此，应当在房屋建筑结构优化设计阶段，将结构设计规范与工程实际情况有机结合，通过综合分析及对比，制定出最科学的设计方案，从根本上提高结构设计的整体质量。 3.4适应仿真性技术环境 计算机技术中，带有拟态化的仿真性内容，可以很好地适应房屋建筑设计中的应用内容。在拟态化数据系统中，能够模拟设计中的参数与内容，形成具象化的图像形式，并通过对比例尺的调整，分析建筑材料在配重与负荷条件下的强度水平，以此对实际工程建设形成指导。例如，CAD技术在形成数据化图形的过程中，有很强的指导性，并能够在建筑结构设计领域发挥出较强的应用价值。而在当前技术条件的发展基础上，将传统的CAD技术与计算机中的AI智能程序进行结合，形成了新型的SCAD技术。这项技术内容又被称作智能CAD技术，利用AI智能化计算模式，帮助传统CAD技术进行数据决策分析。尤其在进行结构设计拟态化管理的工作中，可以发挥出较强的应用性。在建筑结构设计工作中，可以通过智能系统，减少设计人员在操作CAD技术时的工作量，并高效率、精确化的完成项目处理，并以此 结构优化设计的考虑 发表时间：2018-10-19T19:46:28.440Z 来源：《防护工程》2018年第16期作者：宋三星 [导读] 本文主要就我们在建筑结构的设计中常见的问题进行了分析，在分析的基础上提出了的一些对策，希望能为建筑业的可持续发展有所贡献。 甘肃省城乡规划设计研究院有限公司 摘要：本文主要就我们在建筑结构的设计中常见的问题进行了分析，在分析的基础上提出了的一些对策，希望能为建筑业的可持续发展有所贡献。 关键词：建筑结构设计；问题；优化对策 0引言 近年来，随着我国经济的发展，我国建筑工程规模以及建筑工程速度也得到了迅猛的发展。人们对建筑物功能要求也开始日益增高。对于建筑行业来说，建筑结构设计是一项复杂系统的工作。不仅如此，建筑结构设计还关系到建筑工程质量的好坏，锁好建筑工程的建筑结构设计是建筑行业发展的重要工作。因此，我国的建筑结构设计人员应该主动的探索建筑工程的建筑结构的创新设计以及主动的总结以往的设计经验而能够做到确保建筑结构的设计质量，要把提高设计质量作为建筑工作的重点，为我国的建筑行业的发展做出贡献。 1建筑结构设计常见的问题 根据近几年我国的建筑的发展以及我国建筑结构设计所暴露出来的问题，总的来说是可以将我国的建筑结构的设计常见的问题大致可以从框架结构设计问题，楼板变形程度计算不准确的问题以及屋面梁配筋少问题进行分析探讨： 一是框架结构设计的问题。我们首先来说框架结构的稳定性，这时我们应该从整个框架结构的稳定程度出发，并且要对其进行分析，我们所知道的稳定方法只是先对框架柱的稳定性进行控制，利用这样来间接控制整个框架结构的稳定性，而这种方法对框架结构的强度和稳定性是要分别进行计算的，在对框架内部的稳定性进行计算时，要看柱的有效长度是不是合格，就要根据框架的失稳类型来决定，这里对柱的计算是根据弹性的稳定理论来的，还有这里的计算只是单根的框架柱的稳定性计算，用这种方法代替了整个框架的稳定性。其次是对弹性工作状态下的框架结构的变形程度的分析，大多数的框架结构在弹性状态下都有进行工作，自然在计算弹性方面就简单了，又有比较成熟的理论计算方法，所以在进行框架设计时就很自然的想到了此计算方法，但是这种计算方法却忽略了变形这一问题的发生，变形会影响整个框架结构的内力。在有些建筑中，由于变形严重而导致框架结构大部分形成塑性屈服，正是这样也失去了承载力，这样也不能很好的发挥结构的实效。这时只要运用非线性的方法就能很好的解决变形的影响，可以利用它对框架结构的实际的效率模式进行全面综合的评价，这样就可以知道整个框架结构的最大承载能力。 二是楼板变形程度计算不准确问题。这个主要的问题就是在建筑结构的的设计之时，一些设计不考虑建筑的基本结构观念和结构布置的措施就采用了楼板变形的建筑结构计算程序。虽然，这样的计算程序的编程在建筑的力学模型以及数学模型上市准确无误的，但是建筑的计算不应该这是准确而应该还要做到正确的计算，而不考虑实际情况的结构设计计算也肯定是会导致建筑结构不安全以及建筑结构的某些部位或构件安全储备过大等现象； 三是屋面梁配筋少。这个问题主要出现在建筑结构设计的结构建模时，这主要是因为建筑结构的设计人员为了方便而直接将屋面梁直接依据下层梁的尺寸进行计算。但是实际来看建筑的屋面梁荷载较小，使得这样的设计计算造成配筋少，这样导致的问题那就是建筑的屋面梁在温度变化、混凝土收缩以及受力等作用下因配筋率过低而会导致建筑面得裂缝。 2关于解决建筑结构设计问题的有效对策 根据上述常见问题，我们基本是可以知道问题的出现主要来说是由于在设计的考虑上不周全、结构的设计上为求简单以及建筑设计人员对建筑的估计性错误，下面就从以下的三个方面系统阐述如何解决存在建筑结构设计的问题。 2.1 箱、筏基础底板的挑板的设计 对于箱、筏基础底板的挑板设计，主要可以从以下三个个方面进行：一是从建筑的结构设计的角度来说，如果在建筑的结构之中能出挑板的设计，这也就是能达到调匀边跨建筑物得底板钢筋。二是出挑板后，能降低基底附加应力，当基础形式处在天然地基和其他人工地基的坎上时，加挑板就可能采用天然地基。必要时可加较大跨度的周圈窗井。三是出挑板还能够做到降低建筑物得整体沉降，这也就是说当荷载偏心时，可以在建筑物得特定部位设挑板，这能够使得调整建筑物得沉降差以及整体倾斜。此外，在建筑物的窗井部位可以认为是挑板上砌墙，但是是不宜再出长挑板，这回可能导致建筑物的承受过大，而不安全。 2.2建筑工程的建筑结构的设计计算 建筑物的建筑结构设计的计算也就是主要可以从建筑物的梁板跨度的计算以及建筑整体的沉降计算来分析。 对于建筑的梁板跨度的计算。这具体来说也就是要做到假设梁的中心线上有一刚性的支座，而在对其计算之时将梁板作为截面板进行分析计算。而在建筑的扁梁的结构计算中也就是要将计算长度取至梁中心，这也就是说在计算时应该做到选梁中心处的弯距和梁厚，及梁边弯距和板厚配筋，取二者大值配筋，这就是要求梁配筋时应该要取柱边弯距并且考虑是否削峰。 箭镞整体的沉降计算。这种计算也就是说在沉降的计算时要考虑到建筑的基坑的摩擦角范围以及基底土的约束还有就是建筑地基土的反弹因素。而从具体来说即是当建筑的基础小，坑底约束大，那么就是地基土的反弹可以忽略，这样而在计算沉降时，以基底附加应力作为计算标准。反之，那就是在计算沉降时应按基底压力作为计算标准。另外要注意的是那就是建筑基坑边土约束的部分是一般是可以作为建筑安全储备的，这也就是说计算的沉降是应该大于实际沉降的。 2.3建筑结构的主梁以及楼面的设计 对于建筑的结构设计来说，主梁以及楼面的设计也是甚为重要的。首先对于主梁来说，主梁是建筑物的构架以及支撑骨架，其设计一般不会出现问题和争执，主要还是出现在主梁处有次梁的设计上，最基本的要求那就是在有次梁处加箍筋。这种设计可理解为主梁箍筋在次梁截面范围无法加箍筋或箍筋短缺而是在次梁的两侧补上一就像板上洞口附加筋，这样就做到主梁以及次梁的抗剪抗震以及抗压，加强 工程结构优化设计研究进展 摘要：结构优化是一门综合性的学科，具有理论和应用价值，是有发展潜力的 研究方向。结构优化设计是一种近代的、科学的设计方法，与传统的设计方法相 比较，优化设计可以加快设计进度，节省工程造价，工程结构优化设计是一个非 常复杂的过程。本文就工程结构优化研究进行研究分析，着重对工程结构优化设 计的技术途径与发展做了粗浅讨论，以提高工程结构优化设计水平。 关键词：工程结构；优化设计；发展 1工程结构优化的发展现状 集计算力学、数学规划、计算机科学以及其他工程学科于一体的结构优化设 计是现代结构设计领域的重要研究方向。它为人们长期所追求最优的工程结构设计，尤其是新型结构设计提供了先进的工具，成为近代设计方法的重要内容之一。结构优化设计是一门综合性、实用性均很强的技术，它要面向工程设计中的各种 实际问题建立优化设计模型，根据结构与力学的特点对数学规划方法进行必要的 改进。现如今，无论国内还是国外。对这一现代技术的需求都有增长的趋势。随 着设计技术的更新和产品竞争的加剧，结构优化设计将会有更大的发展。由于结 构优化设计的工程意义，这一领域中研究的深度和广度不断得到扩展，相应的学 术交流也很活跃。 2工程结构优化设计存在的一些问题 2.1工程结构设计规范不完善 我国的上程结构可靠度与发达国家相比较是偏低的。尽管制订了《上程结构 抗震可靠度统一标准》，但还是出现了一系列问题。目前，与规范相配且适应丁 实际上程的CAD软件并不完善。必须经过充分的研究，以利于优化设计。而且对 大多数结构而占，也并未给山验算大震不倒的方法。在超高层建筑结构设计方面，必须提出有关的规定和建议，尤其在建筑抗震设汁方面有待改进。 2.2工程结构技术水平有限 这主要体现在设计人员上。目前，许多结构设计人员不熟悉抗震规范，不熟 悉无枯结予应力等新技术；也不熟悉板柱结构体系，不能熟练掌握CAD软件。此外，设计人员人多数也不熟悉建筑工程定额，技术经济观念较淡薄。因此，应及 早采取有效措施来根治，以提高工程结构设计水平。 2.3管理不善，设计市场较混乱 目前，许多工程足边设计、边旌工、急于mI{}l，根本没有时问去论证结构方案。许多大工程的设计审查也不严，初步设计，f：不审查结构方案。口本抗震规 范规定，高度大于60m的结构设计，通常要进行以地震为输人的直接动力非线性反应分析，设计结果要由同本建筑中心超高层建筑结构审查委员会审查。再经建 设省特批，低于2、3类建筑要进行小震地震系数的弹性承载力验算和大震的抗 倒塌验算。而我国100m以上的高层建筑结构设计，设计院做的好台，根本无人 过问。因此，应加强设计管理，以利于优化设计。 3工程结构优化设计的途径 3.1选择合理的结构方案 结构设计方案的优劣决定了结构设计的成败。建筑结构的设计方案是否科学、合理，在很大程度上决定着建筑结构设计的优良性。就同一个建筑项目而言，其 可选的结构设计方案通常都不是固定的，而选用不同的方案会让建筑工程在质量上、造价上出现较大差别。因此在结构方案的选择应遵循以下基本原则：①要用 基于建筑结构优化设计的探讨 摘要：在工程建设过程中, 建筑功能的实现与工程投资的控制是工程建设的两大目标。而进行工程投资控制的关键在项目决策和设计阶段,在项目做出投资决策后,其关键就在于设计阶段。本文通过对结构方案、结构材料、结构计算以及与其他专业的协调等四个方面，简要对建筑结构优化设计进行探讨。 关键词：建筑结构；优化设计 abstract: in the construction process, the realization of the building function and the control on engineering investment is the two main objectives of the project construction. and the key of project investment control is the decision-making and design phase, that is when the project has made investment decisions, the key lies in the design stage. in this paper, the optimization design of building structures is explored on four aspects, including structure program, structural materials, structural calculations, as well as coordination with other fields. key words: building structure; optimization design 中图分类号：tu3文献标识码：a 文章编号：2095-2104（2012）目前在我国的建筑设计中，对建筑结构的优化设计具有重要的意义。在建筑工程的设计阶段,当满足建筑的诸多功能后,工程造价的控制是每个投资者最为关注的主要内容,也自然成为投资者评价 结构优化设计的综述与发展 摘要：结构优化设计，就是在计算机技术等高科技手段的支持下，为了提升机械产品的性能、工作效率，延长机械产品的工作寿命，对机械产品的尺寸、形状、拓扑结构和动态性能进行优化的过程。这是机械行业发展的必然要求，也是信息时代的必然要求。结构优化设计，必须在保证机械产品满足工作需要的前提下，通过科学的计算来实行。文章将简单对结构优化设计的发展状况进行介绍，列举几种优化设计方法，以及讨论未来优化的发展情况。 关键词：结构优化设计发展优化设计方法 1 结构优化设计 结构优化简单来说就是在满足一定的约束条件下，通过改变结构的设计参数，以达到节约原材料或提高结构性能的目的。结构优化设计通常是指在给定结构外形，给定结构各元件的材料和相关载荷及整个结构的强度、刚度、工艺等要求的条件下，对结构进行整体和元件优化设计。结构优化设计一般由设计变量、约束条件和目标函数三要素组成。评价设计优、劣的标准，在优化设计中称为目标函数；结构设计中以变量形式参与的称为设计变量；设计时应遵守的几何、刚度、强度、稳定性等条件称为约束条件，而设计变量、约束函数与目标函数一起构成了优化设计的数学模型。结构优化的目的是让设计的结构利用材料更经济、受力分布更合理。 结构优化设计根据设计变量选取的不同可以分为截面（尺寸）优化、形状优化、拓扑优化三个层次。尺寸优化是选取结构元件的几何尺寸作为设计变量，例如，杆元截面积、板元的厚度等等[1]。而形状优化是选取结构的内部形状或者是节点位置作为设计变量。拓扑优化就是选取结构元件的有无作为设计变量，为0-1型逻辑型设计变量。 2 结构优化设计研究概况与现状 结构优化设计最早可以追溯到17世纪，伽利略和伯努利对弯曲梁的研究从而引发了变截面粱形状优化的问题。后来Maxwell和Michell提出了单载荷仅有应力约束条件下最小重量桁架结构布局的基本理论，为系统地分析结构优化理论作出了重大的贡献。然而长期以来，由于缺乏高速可靠的计算手段和理论，结构优化设计一直无法获取较大发展。 到上世纪六十年代，有限元技术借助于计算机技术，得到了极大的发展。1960年Schmit在求解多种载荷情况下弹性结构的最小重量问题时，首次在结构优化中引入入数学规划理论，并与有限元方法结合应用，形成了全新的结构优化思想，标志着现代结构优化技术的开始[2]。 1973年Zienkiewicz和Campbell[3]在解决水坝的形状优化问题时，首次以节点坐标作为设计变量，在结构分析方面使用了等参元，在优化方法上使用了序列线性规划的方法。其后，众多的学者在此基础上，逐渐发展形成了使用边界形状参数化方法描述连续 浅谈结构优化设计田利明 发表时间：2017-12-07T15:54:27.967Z 来源：《防护工程》2017年第19期作者：田利明 [导读] 在建筑结构领域开展优化设计，符合我国可持续发展的综合国策。 山西恒泰金越建设工程有限公司天津市 摘要：在建筑结构领域开展优化设计，符合我国可持续发展的综合国策。结构优化设计应是在保证建筑安全、抗震性能较好、合理可行同时满足建筑设计的前提下进行，在这里我结合自己做过的一些工程简单谈谈在结构设计中的一些优化体会，以供工程设计参考。 关键词：结构设计；优化 结构优化设计是个系统的工程，它涉及的方面很多，不能片面的从某一方面来进行优化，要综合考虑各种不同因素的影响，本文主要从基础及上部设计两个方面来简单谈谈一些优化的小技巧。 一、地基基础优化设计 当上部结构荷载不大，且地基土承载力较高时，优先选用天然地基。当土层的地基承载力不是很大且压缩性很大而不能满足设计承载力或变形等要求时，在基础设计时选用深基础（桩基础）。在满足地基稳定和变形要求的前提下，基础尽量浅埋，以节省挖土工程量且便于施工，特别是对于上海的地基土，一般二层为粘性土，这一层都相对比较薄，且在其下面一般就是淤泥质土，承载力很小且压缩性较大，基础就更应该浅埋。基础设计中桩基常常是比较常采用的方案，它对工程造价和施工工期会产生较大的影响，因此需要进行深入的优化分析，针对不同地方项目对各种桩型受力机理的特点进行分析研究。从另一方面来说地基基础设计也一直是建筑结构设计的难点，因为建筑的基础形式可以是相同的，但完全相同的地基条件是很少碰到的，所以对岩土工程勘察报告内容的理解分析就很重要，同时了解各种地基的变形特性，结合当地工程经验，选择合理的地基基础方案也是十分重要的。对于特定地区的场地，我们应该结合地勘考虑最合理的工程方案，不要因为当地使用的较少就退。一般来说不同地区都有常用的桩基类型，像河南郑州的项目那里比较常选用CFG桩地基处理，有些32层接近100m的高层住宅也常常采用CFG桩，对于双甲（基础设计甲级、勘察设计甲级）还要经过省里专家进行CFG桩复合地基专项论证审查等。但从另一方面讲业主往往对新工艺、新桩基形式等在当地的可行性、经济性没有信心，施工单位有时也会因为采用不熟悉的工艺而加以抵触和阻挠，所以作为工程设计人员，就要详细周密的进行考虑，同时一个合理的试桩方案也是不可缺少的，一方面，试桩可以验证桩基施工工艺是否可行，使我们得到承载力、沉降等情况，一方面我们也可以初步估计出该种桩基的造价等，从而来比较此方案是否合理。如工程确需采用桩基时，需进行桩型、桩径、桩长多方案经济分析与比较，不同单体、不同地质可选用不同桩型，地基土对桩的支承能力尽量接近桩身结构强度，另外应尽可能采取设计前试桩，为施工图设计提供依据，提高单桩竖向承载力，以减少桩根数。若条件允许，优先采用预制桩，如需采用灌注桩，可采用后注浆技术提高单桩竖向承载力。对于设置地下室的建筑，可考虑场地较低水位时水浮力的有利作用，以减少抗压桩根数。布桩时，应优先考虑沿轴线墙下或柱下布桩，以减少筏板厚度及配筋，筏板局部配筋较大时，也可另附加短钢筋。 二、上部结构优化设计 结构体系选择上应综合考虑各方面因素，结合当地实际情况，进行全方位技术经济分析与比较，选择功能完善、技术先进、经济合理的结构体系。在结构设计中尽量遵循以下优化设计原则： 1.按照几个高度分界点控制建筑物高度设计。建筑高度、风荷载大小、地震设防烈度对结构成本会有较大影响。当建筑物高度超过且接近分界点时，应尽量通过优化层高和楼层数等使建筑物高度控制在分界点内，对于高层建筑60米是50年一遇和100年一遇基本风压的分界点；24米是框架结构抗震等级的分界点；60米是框架-剪力墙结构抗震等级的分界点；80米是剪力墙结构、部分框支剪力墙结构抗震等级的分界点。抗震等级每提高一级，内力放大系数、抗震构造措施均会提高一级； 2.在满足建筑功能要求前提下，尽量采用平面、竖向规则的结构方案，避免不规则、复杂形体导致的结构超限，增加造价； 3.优化结构布置，在剪力墙结构中剪力墙布置应该尽量在建筑物两端和周边布置，用尽量少的剪力墙数量保证结构抗震扭转指标满足要求。剪力墙布置的数量可以根据计算结果中楼层层间位移尽量接近规范限值来控制，使主体结构具有合理刚度，层间位移角、轴压比、剪重比等计算指标接近规范限值； 4.结构平面荷载取值应合理，尽量采用轻质填充墙。计算填充墙线荷载时，应按门窗洞口实际尺寸进行折减； 5.合理确定结构构件（墙、柱、梁、板）截面尺寸，使构件实配钢筋控制在经济配筋率范围内； 6.剪力墙、柱、梁可按照每二～三层作为同一配筋层，并尽可能减小归并系数，实配钢筋尽量接近计算配筋值，以减少钢筋用量； 7.除国家规范和地方标准规定外，楼板配筋一般均建议采用分离式配筋； 8.结构的高宽比不宜太大，建筑高宽比超限虽然不属于抗震超限的审查范围，但结构高宽比越大，主体结构倾覆力矩也越大，必须采取适当的结构措施，便会增加结构的成本； 9.节点的优化设计。对于结构设计人员来说结构设计一般是对建筑进行各种力学分析，根据计算或分析的结果，配置抗力构件，对于建筑节点，除尽量减少建筑立面及屋顶装饰性构件，设计时也应该按内力分布特点进行配筋； 10.对于地下室外墙，在设计时要考虑外侧墙体的裂缝控制（0.02mm），由于裂缝控制配筋往往较大，因此采用分离式配筋的方式是非常有必要的。短筋加通长筋可以解决内力较大区域的配筋计算要求，通长筋满足跨中区域的内力要求即可。同理，对于分离式配筋还可以用于1）无梁楼盖设计中柱帽处的配筋；2）基础筏板配筋；3）普通屋面板配筋等； 11.剪力墙、柱、梁配筋优化设计细节 1）最优剪力墙控制长度可以取8倍墙厚加50mm，避免采用短肢剪力墙。对于底层如果是商业、复式住宅、架空层等相对层高较高的建筑可以根据《高规》2附录D中的说明：对于超限的墙体经过验算满足墙体稳定要求，可以适当减薄墙体厚度，成本可以降低很多； 2）可根据受力情况，将剪力墙厚度及混凝土强度等级，沿房屋高度分段减小； 3）异形柱结构尽量不用，即使是框架结构也应该多用矩形柱或圆形柱，避免采用异形柱。在满足各项安全指标的情况下，可采用较西安交大结构优化设计实验报告
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