吳浩然
南京蘇夏設(shè)計集團股份有限公司 江蘇南京 210000
鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有施工操作步驟簡單,結(jié)構(gòu)布置方案靈活,建設(shè)質(zhì)量安全可靠等一系列優(yōu)勢,在工程項目建設(shè)實踐中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。從設(shè)計角度上來說,針對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計多根據(jù)已有經(jīng)驗確定構(gòu)件尺寸以及結(jié)構(gòu)布置方案,然后通過內(nèi)力分析的方式確認指標(biāo)是否符合規(guī)范要求,然后根據(jù)驗證結(jié)果對方案進行反復(fù)修改,不但導(dǎo)致工作量巨大,同時還難以達到節(jié)約造價的目的。因此,研究鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法具有非常重要的現(xiàn)實意義與價值[1]。
在ANSYS平臺支持下,進行鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法包括兩大類,分別為零階優(yōu)化以及一階優(yōu)化。其中,零階優(yōu)化方法是指在目標(biāo)函數(shù)基礎(chǔ)之上增加罰函數(shù),以此種方式將約束問題轉(zhuǎn)換為非約束性問題,通過曲線擬合的處理方式圍繞設(shè)計變量與目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建解析函數(shù)關(guān)系,以達到逼近解析結(jié)果的目的。一階優(yōu)化方法則是在添加罰函數(shù)基礎(chǔ)之上,借助于因變量對設(shè)計變量求導(dǎo)結(jié)果,以最小化真實的有限元結(jié)果。
以目前工程實踐中應(yīng)用較多的零階優(yōu)化方法為例,在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中的主要操作步驟可以概括如下:第一步,選定鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計變量作為目標(biāo)函數(shù)基礎(chǔ)參數(shù)并進行初始化賦值;第二步,在ANSYS平臺中圍繞鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建立優(yōu)化參數(shù)模型,形成前處理、求解、以及后處理操作模塊,對內(nèi)力結(jié)果以及位移結(jié)果進行讀??;第三步,以結(jié)構(gòu)建模為基礎(chǔ),根據(jù)GET操作指令得到彎矩、軸力、剪力等力學(xué)響應(yīng)參數(shù),并面向狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)進行賦值;第四步,根據(jù)LGWRITE操作指令輸出前一項中的參數(shù)化建模以及命令流文件;第五步,在ANSYS優(yōu)化模塊中引入前一步驟命令流文件,給出鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計變量、狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)關(guān)系,生成上限、下限值;第六步,根據(jù)實際情況選擇相應(yīng)優(yōu)化以及循環(huán)控制方法并進行優(yōu)化分析,反饋分析結(jié)果[2-3]。
某教學(xué)樓項目為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),地上層數(shù)為6層,單層層高為3.6m,框架結(jié)構(gòu)整體寬度37.0m,長度62.0m,建筑抗震設(shè)防類別為乙類,設(shè)防烈度為7度,設(shè)計地震分組為二組,特征周期取值0.55s,結(jié)構(gòu)設(shè)計中不納入對風(fēng)力荷載作用力的考量。結(jié)構(gòu)荷載取值情況為:樓面恒載作用力為2.0kN·m-2,活載作用力為2.5kN·m-2;屋面恒載作用力為2.6kN·m-2,活載作用力為0.5kN·m-2;梁體恒載作用力為8.0kN·m-2。在對該結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計前,相關(guān)構(gòu)件截面尺寸如下:第1~2層框架柱結(jié)構(gòu)尺寸為 800.0×800.0mm,主梁結(jié)構(gòu) 400.0×700.0mm,次 梁 結(jié) 構(gòu) 300.0×600.0mm; 第 3~4 層 框 架 柱 結(jié) 構(gòu) 尺 寸 為750.0×750.0mm,主梁、次梁結(jié)構(gòu)尺寸同前一致;第5~6層框架柱結(jié)構(gòu)尺寸為700.0×700.0mm,主梁、次梁結(jié)構(gòu)尺寸同前一致(62米)。
搭載ANSYS軟件進行建模,采用整體式模型,假設(shè)滿足條件:①鋼筋在結(jié)構(gòu)呈均勻性分布;②混凝土間無相對滑移趨勢。梁體、柱體結(jié)構(gòu)選用BEAM189單元,板材結(jié)構(gòu)選用SHELL63單元。分別對結(jié)構(gòu)進行恒載以及活載狀態(tài)下的受力情況分析,遵循現(xiàn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中有關(guān)規(guī)定,對荷載工況進行組合,組合一為:1.2X(恒載作用力+0.5活載作用力)+1.3地震作用力,組合二維1.2X(恒載作用力+0.5活載作用力)-1.3地震作用力。
在結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理模塊中指定前文中所述數(shù)學(xué)模型設(shè)計變量以及狀態(tài)變量,對上限值以及下限值進行約束,以總重量為目標(biāo)函數(shù),按照零階方法進行優(yōu)化,優(yōu)化次數(shù)為30次。設(shè)計變量優(yōu)化前、優(yōu)化后各樓層具體情況如下:全部樓層B1主梁寬優(yōu)化前為400.0mm,優(yōu)化后為 308.1mm;H1 主梁高優(yōu)化前為 700.0mm,優(yōu)化后為623.7mm;B2次梁寬優(yōu)化前為300.0mm,優(yōu)化后為218.6mm;H2 次梁高優(yōu)化前為 600.0mm,優(yōu)化后為 503.7mm;第1~2層BB1柱截面優(yōu)化前為800.0mm,優(yōu)化后為851.6mm,HH1柱截面優(yōu)化前為800.0mm,優(yōu)化后為795.3mm;第3~4層BB2柱截面優(yōu)化前為750.0mm,優(yōu)化后為768.7mm,HH2柱截面優(yōu)化前為750.0mm,優(yōu)化后為673.8mm;第5~6層BB3柱截面優(yōu)化前為700.0mm,優(yōu)化后為586.5mm,HH3柱截面優(yōu)化前為 700.0mm,優(yōu)化后為 689.2mm。
按照前文所述各樓層優(yōu)化后參數(shù)重新構(gòu)建分析模型,對目標(biāo)函數(shù)值進行計算,對比優(yōu)化前、優(yōu)化后混凝土結(jié)構(gòu)重量差異,優(yōu)化前混凝土總重量為5678.6t,優(yōu)化后混凝土總重量為4570.6t,節(jié)約比例為19.5%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可見,搭載ANSYS平臺對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計能夠取得確切效果,在滿足項目建設(shè)需求的基礎(chǔ)之上最大限度降低目標(biāo)函數(shù)值,達到節(jié)約資源,控制造價的目的[4]。
以上分析中搭載ANSYS平臺,對6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震條件作用下的受力情況進行分析,并將梁體、柱體結(jié)構(gòu)尺寸作為自變量進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,通過合理優(yōu)化,能夠在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)對造價的控制與節(jié)約,證明應(yīng)用零階方法進行鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有良好的可行性,僅供參考。