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        型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法研究

        2020-03-06 08:31:50楊仲坡馬云昌
        工程建設(shè)與設(shè)計 2020年9期
        關(guān)鍵詞:鋼骨桿件框架結(jié)構(gòu)

        楊仲坡,馬云昌

        (1.浙江省工業(yè)設(shè)計研究院,杭州310000;2.溫州寶信房地產(chǎn)開發(fā)有限公司,浙江 溫州325000)

        1 引言

        型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)因其優(yōu)越的性能,在工程應用中的比例愈來愈大,為工程建筑的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。其雖具有卓越的性能,但型鋼與混凝土二者間存在黏結(jié)滑移問題,會對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生不利的影響。本文就型鋼混凝土的黏結(jié)滑移問題進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的探究。

        2 型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的概念和整體作用

        型鋼混凝土是鋼與混凝土2 種材料的組合體,由型鋼、縱向鋼筋和箍筋、混凝土幾部分構(gòu)成,組合方式多樣和方法多元。一般運用焊接或冷壓的方法把型鋼制成鋼截面,在使用外包混凝土、內(nèi)填混凝土或連接件連接的方式進行混凝土與型鋼的組合,形成共同受力的整體結(jié)構(gòu)。從受力性能來講,其基本屬于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力范圍。型鋼與混凝土的配置形式主要表現(xiàn)為:實腹式鋼骨混凝土柱、空腹式鋼骨混凝土柱、實腹式鋼骨混凝土梁、空腹式鋼骨混凝土梁4 種。每個國家對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的稱謂不同。日本稱之為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu);英、美等西方國家稱之為混凝土包鋼結(jié)構(gòu);前蘇聯(lián)稱之為勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)【1】。從其構(gòu)成形式來看,型鋼混凝土結(jié)構(gòu)有其顯著的特點。主要體現(xiàn)在以下6 個方面:

        1)型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)所含型鋼的比例大小不受限制,且承載能力強,剛度大。基于此,可以減小型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面,增加建筑物使用面積和樓層高度。并且與一般的鋼結(jié)構(gòu)框架相比,有較高的鋼材節(jié)省率,可以提升型鋼材料的使用效率。

        2)型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)可以二次受力,其主要體現(xiàn)在施工第一階段荷載與硬化混凝土共同承擔,使用荷載、有效減小梁變形和裂縫寬度3 個層面。

        3)可平行、流水施工的模式能夠有效提升施工速度。

        4)以實腹柱最為突出,其結(jié)構(gòu)延性和耗能能力優(yōu)越。

        5)具有比鋼結(jié)構(gòu)更加優(yōu)越的耐久性和抗火性能。并且型鋼組合結(jié)構(gòu)可以單獨使用,也可以與鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)組合使用。

        6)具有突出的抗震性能,型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)因其卓越的抗震性能而被廣泛應用于高層建筑和橋梁的建設(shè)之中。當前型鋼混凝土需注意的關(guān)鍵技術(shù)要點,在于與不同結(jié)構(gòu)材料的連接節(jié)點和避免沿高度因結(jié)構(gòu)類型改變引起的承載力和剛度突變。

        3 型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法分析

        目前,型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要運用數(shù)學方法、數(shù)學形式、數(shù)學模型進行分析??蚣芙Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中所有參與計算的結(jié)構(gòu)參數(shù)都是以變量的形式出現(xiàn)的,在滿足一定的要求下,計算給出所有可能的結(jié)構(gòu)方案。當前階段的框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要基于結(jié)構(gòu)分析方法、電子計算機和優(yōu)化算法。以有限單元為主體的結(jié)構(gòu)分析方法,配以現(xiàn)代化電子計算機的高計算能力,再結(jié)合有限次的優(yōu)化算法,使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計更具有靈活性、合理性、最優(yōu)性及精確性【2】。本文主要介紹型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的4 種方法:簡單解法、準則法、數(shù)學規(guī)劃法、混合法,下面將對4 種方法進行詳細論述。

        3.1 簡單解法

        簡單解法的適用范圍極其有限,對設(shè)計變量的數(shù)量有一定的個數(shù)限制。當變量有限時,可以運用簡單解法進行框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,當變量數(shù)超出簡單算法變量有限區(qū)間時,算法所呈現(xiàn)出的結(jié)果會缺乏準確性和有效性?;谶\算范圍和情況的差異,可以分別運用圖解法和解析法解決框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題。當設(shè)計變量控制在2h 內(nèi)時,可以用圖解法的方式解決框架結(jié)構(gòu)設(shè)計問題,運行效果明顯優(yōu)于解析法。解析法是基于古典微積分的極值原理及變分原理求函數(shù)的極限值。解析法具有一定的變量數(shù)限制,只適用于求解約束條件簡單,設(shè)計變量值有限的范圍內(nèi),可根據(jù)型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的需要進行優(yōu)化方法的選擇。

        3.2 準則法

        準則法具有一定的條件限定和適用范圍,是基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本需求,預先提供結(jié)構(gòu)優(yōu)化后需達到的準則要求,如應力準則、能量準則、壓力準則等,并且要求在達到預定準則后實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕化,后用迭代的方法,經(jīng)過重復性的變量更迭計算,求出到達預定準則的有效值。準則法有一定的局限性,適用范圍有限,在結(jié)構(gòu)布局和幾何形狀已定的工況條件下有一定的適用性?;趯π弯摶炷两Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究,準則法主要應用于其桿系結(jié)構(gòu)的局部性優(yōu)化,不具有整體優(yōu)化的能力。準則法運用有其優(yōu)點也有其缺點,優(yōu)點主要表現(xiàn)為收斂快、計算量小。缺點在于適用范圍有限,所得出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計并非最佳。雖然其具有一定的缺陷,但從工程現(xiàn)實應用的角度講,準則法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計操作方面快捷、簡單且易于接受,具有廣闊的應用前景。準則法的應用源于滿應力設(shè)計,在每個桿件滿足應力要求的前提下,充分發(fā)揮出其強度性能。在后來結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法演進過程中,不斷與其他的優(yōu)化方法結(jié)合,具有多方面約束條件的處理能力。

        3.3 數(shù)學規(guī)劃法

        數(shù)學規(guī)劃法是從結(jié)構(gòu)力學的基本原理出發(fā),運用數(shù)學規(guī)劃和優(yōu)選法等各種方法去尋找設(shè)計參數(shù)的最優(yōu)解。這一方法起源并發(fā)展于20 世紀50 年代末,具有廣泛適用性,尚處于不斷發(fā)展的過程中。數(shù)學規(guī)劃法由線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃和幾何規(guī)劃等幾種解法構(gòu)成。線性規(guī)劃法與非線性規(guī)劃法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面更具有適用性和實用性【3】。

        3.4 混合法

        混合法即上述幾種方法的有機結(jié)合運用,基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的不同情況,充分發(fā)揮不同方法的優(yōu)勢,揚長避短,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的最優(yōu)化選擇組合方式,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供方法支撐。

        4 型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本原理分析

        型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)由多種規(guī)則性的桿系梁、柱組件構(gòu)成,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中部分結(jié)構(gòu)會影響整體功能的發(fā)揮,只需對型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)進行局部優(yōu)化設(shè)計,來發(fā)揮其框架結(jié)構(gòu)的功效。型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本原理是在滿足工程和工藝要求的前提下,基于抗震原則對其結(jié)構(gòu)進行平立面化布局。確定桿件梁的跨度和桿件柱的高度,利用最優(yōu)經(jīng)濟比確定梁、柱長寬高值,構(gòu)建桿件梁和柱的初步形態(tài),基于經(jīng)驗和統(tǒng)一規(guī)范標準制定梁和柱的初始截面。從預定初始方案開始,運用有限元法對在不同工況條件下結(jié)構(gòu)的整體受力情況進行分析,得出各種情況下的受力值。同時,計算出常規(guī)工況下的基礎(chǔ)參數(shù),根據(jù)型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)各桿件的受力情況,為桿件梁、桿件柱的局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,得出優(yōu)化后的截面尺寸、材料用量和工程總造價。運用設(shè)計變量的方式,使用迭代法,重復論證,提供最佳選擇方案。

        5 結(jié)語

        綜上所述,型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是建立在其結(jié)構(gòu)研究和黏結(jié)滑移研究基礎(chǔ)之上的??蚣芙Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要采用數(shù)學的方法,建立數(shù)學模型,運用有限單位元法和迭代法得出最優(yōu)解,從而為框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)和技術(shù)參考。

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