周期与层间位移角双约束条件下超高层结构优化设计方法

基于地震作用下层间位移角和一阶周期对构件材料成本的敏感性系数计算公式的推导，提出了双约束条件下结构优化组合排序法。结合一两层平面框架算例，分别采用建议公式和等增量敏感性分析方法计算了设计约束对构件材料成本的敏感性系数，并进行了对比；以某超高层结构为研究对象，采用提出的计算公式和组合排序法对结构进行了敏感性分析和结构优化。结果表明：采用建议的计算公式和等增量敏感性分析方法得到的敏感性系数较吻合，说明建议公式具有较高的准确性；采用组合排序法进行双约束条件下的结构优化时，当控制每组构件材料成本变化量不超过10%时，设计约束对构件材料成本的敏感性系数可认为是不变量；在初始优化阶段，设计约束改变较慢，当不敏感构件组的构件优化完成后，主要改变较敏感构件组的构件，使设计约束加速收敛至限值；优化过程中出现了最大层间位移角所在楼层交替变化的情况，可采用比规范更加严格的限值来进行结构优化，从而保证实际的设计约束条件满足规范限值要求。     

基于剪重比敏感性的超高层结构优化设计方法

为保障建筑物最低抗震安全性的要求,地震作用下结构系统受剪承载力不应过小,GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中提出了剪重比指标。由于地震影响系数在长周期段下降较快,超高层结构在地震作用下的基底剪力及楼层剪力偏低,导致其剪重比指标往往无法满足规范要求。通过对剪重比约束下构件尺寸的敏感性分析,研究以最小成本满足剪重比指标的优化设计方法。依据虚功原理和等增量分析方法推导了敏感性系数公式,并以简单框架结构为例验证了两种敏感性分析方法的有效性。并将上述敏感性分析方法用于建筑高度为468 m的某超高层建筑,结果表明,以敏感性为指引对剪重比控制的超高层结构进行优化设计,共节约材料成本1141.99万元,具有较好的经济效益。     

基于工程限值约束的结构拓扑优化设计分析

基于固体各向同性材料惩罚密度插值模型,建立近似支撑框架模型,以最大刚度为优化目标,以优化体积比及工程限值为约束条件,对支撑框架结构进行了优化。工程限值约束包括最大、最小尺寸约束,对称性约束以及顶点位移约束等。研究结果表明：当支撑框架中斜撑的斜交角度为39°~59°时,框架具有较好的抗侧刚度;当优化体积比为0.3时,优化后结构顶点位移较原设计域增加19%。引入工程限值约束条件能使拓扑优化后的结果有效应用于实际工程,优化后结构具有框架形态,无不易建造的细微结构,减少了低效材料分布,从而降低造价。     

弦支穹顶结构尺寸优化设计的研究

以结构重量为目标函数,考虑构件稳定应力约束、强度应力约束、长细比约束和结构位移约束,对弦支穹顶结构进行了尺寸优化设计研究。为有效引入位移约束,采用位移关于构件截面积梯度分量权重来增加构件截面积。为提高设计变量的搜索效率,对钢管、钢索和钢拉杆规格库进行了优化排序处理,显著提高了优化搜索速度。采用优化设计方法,对深圳大运会篮球馆屋盖弦支穹顶结构进行了尺寸优化设计研究。研究结果表明,在构件稳定应力、强度应力、长细比和结构刚度(位移约束)等约束满足设计要求前提下,结构用钢量显著减少。优化设计方法搜索速度很快,应用简单,可用于大型弦支穹顶结构设计中。     

基于Matlab的钢筋弯曲机齿轮传动系统的优化设计

在现有典型的钢筋弯曲机结构及钢筋弯曲过程中的通用动力学计算模型的基础上,主要对钢筋弯曲机传动系统中的核心部分--二级齿轮传动部分进行优化,以各齿轮传动的中心距之和最小作为设计的目标函数,以齿轮设计过程中各参数的基本要求包括性能约束、边界约束为条件,进行优化计算.结果表明,齿轮传动系统的体积减少27.79%.在优化设计过程中,以约束优化理论为基础,采用了基于Matlab平台的齿轮传动优化设计的思路和方法.     

基于序列线性规划的空间钢框架优化

基于序列线性规划和对偶仿射尺度法,以结构用钢量最低为优化目标,以截面尺寸为优化变量,推导了空间钢框架结构整体优化有限元模型。通过编程实现结构在包括杆件强度、稳定,节点位移,结构层间位移角的多种约束条件下的优化设计。以一个简单不规则钢框架算例验证了优化程序的可行性;通过收缩约束条件验证了程序主动控制不同应力、位移约束的效果。对一个主次梁体系结构进行优化设计,同时考虑规范对构件、结构的多项限值,验证了优化算法和程序能够满足工程实际的需要。     

同时考虑构件刚度和预应力的索网结构刚度优化

同时以单元轴向线刚度和力密度为设计变量,提出一种结构整体刚度的优化方法,使索网在特定荷载作用下能够满足多点位移限值的约束条件.针对索网结构的切线刚度矩阵,建立了以上两类设计变量分别与结构线弹性刚度和几何刚度的解析关系式.不考虑外荷载变化,推导了两类设计变量与结构位移的近似增量关系,并给出其灵敏度矩阵的解析表达式.针对给定荷载下的索网多点变形约束条件,借助灵敏度矩阵的特征空间性质,提出了一种结构刚度优化的数值策略,并指出优化设计变量与目标位移间存在的效率评价问题.以一个梯形平面马鞍形索网为算例,利用该方法对结构刚度进行优化以使索网在给定荷载下能够满足预先设定的位移场限值要求.计算结果不仅验证了算法的有效性,也反映出进行优化结果的效率评价是必要的.     

钢筋混凝土锥形基础的优化设计

以基础总造价为目标函数,以国家规范要求的地基承载力、抗弯和抗冲切强度等为约束条件,给出了钢筋混凝土锥形基础优化设计的数学模型;借助于MATLAB优化工具箱,通过编程,实现了此类基础的优化设计。算例表明,该优化设计方法经济效益显著,可推广应用于工程设计。     

世茂深港国际中心天环结构敏感性数据驱动优化设计

敏感性分析可反映设计变量对约束条件的影响程度,应用敏感性数据原理进行结构设计可兼顾结构高效性、设计安全性、工程经济性。简要介绍敏感性数据分析原理,以世茂深港国际中心天环吊挂型长悬挑结构为案例,以竖向挠度和振动舒适度为设计约束,运用敏感性数据驱动钢箱梁和内灌混凝土的优化设计,可供类似项目的结构设计及造价控制参考。     

预应力锚索抗滑桩结构稳健优化设计

稳健优化设计是稳健设计与最优化技术、计算机技术的结合,当前已成为工程稳健设计研究的一个热点。按照这种方法进行预应力锚索抗滑桩设计,既能在设计阶段保证工程质量的稳健性,又能利用优化设计中众多数学模型和成熟的求解方法,更好地解决多变量、多目标、带约束问题的求解。针对正交设计的不足,用均匀设计代替正交设计,应用专业软件模拟计算不同工况下预应力锚索抗滑桩结构顶部水平位移,通过多元回归分析,用回归模型y(xi)代替函数模型y(xi)作为目标函数,设计参数作为优化变量,规范及合同要求作为约束条件,提出一种预应力锚索抗滑桩结构稳健优化设计方法。以昆洛路K1+440～K1+780边坡为例,阐述用MATLAB语言进行预应力锚索抗滑桩稳健优化设计的方法。     

确保钢框架梁铰机制的多目标抗震设计方法

前期研究表明:梁铰破坏机制下,抗弯钢框架节点处的柱梁抗弯强度比应高于1.0甚至2.0。同时也指出,为了防止结构出现薄弱层,对结构的全部节点仅使用单一的柱梁抗弯强度比限值是不切实际的。因此,需要对节点处的柱梁抗弯强度比进行优化设计。给出了确保抗弯钢框架结构中梁铰机制的多目标抗震设计方法,并将其应用于著名的抗弯钢框架结构的抗震设计中。除利用约束确保梁铰机制外,通过考虑两个不同的目标函数给出了结构的建筑费用和能量耗散能力的关系式。为了在替代方法中选出用于指导结构工程师工作的最佳设计方法,以耗散能量密度(耗能能力与结构重量之比)的形式给出一种简单的方法。     

新型耗能体系在抗震结构中的应用

箱形截面钢桥墩广泛地用于高架桥中，通常，这些箱形截面的钢板具有较高的宽厚比，这就使得桥墩在大地震时很容易遭到破坏。为了改善这种钢桥墩的抗震性能，提出了一种通过能量被局部构件吸收的方法来提高整个结构的抗震能力，即把地震灾害控制在一些事先设计好的薄弱构件中，地震时，通过这些构件的破坏来吸收能量，在研究中，粘附于钢桥墩的低屈服点钢板被设计为薄弱构件，在地震时，通过低屈服点钢板的屈服来吸收能量，并保持桥墩一直为弹性。研究了低屈服点钢板的耗能特性，并提出了优化设计方法，这种新的设计概念及方法同样适合于房屋、厂户及高耸结构抗震设计。     

超高层建筑结构选型技术研究

对于超高层建筑的设计,往往有多个可供选择的结构方案。为了能够科学快速地选择出建筑功能、结构性能、抗震性能和经济性能等综合指标都能达到最满意的结构方案,本文基于模糊数学和层次分析法的原理采用模糊层次综合优选法来确定超高层建筑的结构方案。该法首先将影响超高层建筑结构方案选择的因素划分为包括目标层、准则层和指标层三部分的递阶层次结构,其中准则层因素分为静力性能、多遇地震下抗震性能和经济性能三类,指标层因素又细分为21个指标;然后给出了各指标的隶属函数,从而求出各指标的隶属度和指标层相对于准则层的权重集;最后根据模糊矩阵合成运算得出最终的综合评判结果。该法既避免反复试算造成的人力、物力资源的浪费,又避免了专家个人能力局限性的制约,具有重要的工程价值。     

An integrated topology optimization framework for three‐dimensional domains using shell elements

In the last decades, topology optimization has been widely investigated as a preliminary design tool to minimize the use of material in a structure. Despite this, applications to realistic three‐dimensional engineering problems are still limited. This study provides the instruments for the definition of a versatile and integrated framework in order to apply topology optimization to large‐scale 3‐D domains for the design of efficient and high‐performing structures. The paper proposes a novel topology optimization strategy to identify the optimal layout of lateral resisting systems for tall buildings through the adoption of Mindlin–Reissner shell elements for the discretization of the continuum design domain. The framework is based on the practical interoperability between MATLAB, Ansys, and computer‐aided design (CAD) environments to incorporate optimization routines in the conceptual design phase of structural systems. Finally, the paper examines a three‐dimensional tall building case study in order to demonstrate the applicability of the proposed procedure to realistic Civil Engineering design problems and its robustness in finding optimal layouts free from mesh‐dependency instabilities.     

高层建筑结构设计中的几点问题

根据新抗震规范和新高规中有关结构设计的规定，结合计算软件的分析，对高层建筑结构设计中的问题进行了探讨，以完善高层建筑的结构设计。     

粘弹性阻尼器耗能结构基于EE增益的优化设计

在结构中均匀布置阻尼器的耗能减震效果并不理想,而且限制了结构空间的使用。基于EE增益对粘弹性阻尼器耗能结构进行优化设计,即利用Matlab线性矩阵不等式norminf函数和优化工具箱fmincon函数搜索最小的结构被调输出能量与外部扰动能量的比值Γee(EE增益),从而得出阻尼器在耗能结构中的优化位置和数量,以控制感兴趣的被调输出。选用1栋10层结构对该方法进行了验证,结果表明该优化方法的减震效果明显改进,同时阻尼器仅需安装在较少的几个楼层,扩大了结构的使用空间。修正被调输出的权矩阵,发现被调输出峰值可以更小,但结构楼层加速度却大大增加。     

钢桁架筒结构基于刚度的设计方法——一种可持续的方法

桁架筒结构是高层建筑的一种高效的结构体系,该结构体系形式,自60年代末问世以来已广泛应用于大多数高层建筑中。提出基于刚度的设计方法,用以初步确定高层建筑桁架筒结构的构件尺寸。该方法适用于40～80层高的建筑物,并给出对应于代表性的设计荷载,使用材料最为经济的设计参数。就结构构件的不同几何配置对于设计经济性的影响进行了讨论,并对几何配置优化提出了建议。基于刚度的设计方法,只需较少迭代过程,非常适合于桁架筒结构的初步设计。对使用最少量的资源以满足构建建筑环境要求的设计,将具有推动和促进作用。     

高层预制钢筋混凝土叠合剪力墙住宅结构设计

高层预制钢筋混凝土叠合剪力墙结构的设计包含许多新的设计内容。目前尚无配套的设计规范及计算分析软件。通过在研究预制钢筋混凝土叠合剪力墙试验资料的基础上,采用了两种设计方法。方法一是将PC和PCF作为结构的外加荷载进行结构的强度设计,但考虑PC及PCF构件的刚度对结构周期以及主要计算参数的影响。方法二是在进行结构的刚度分析,控制结构位移时,将PC和PCF作为结构的构件,以此计算结果作为控制结构刚度的依据。运用上述两种方法将结构简化后,仍采用现行的计算软件进行结构分析。通过实际工程的计算结果,可以看出,这两种方法在满足现行设计规范的同时也优化了高层预制钢筋混凝土叠合剪力墙的结构设计。