結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究綜述

1、結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究綜述結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究綜述【摘要】建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化對建筑整體的穩(wěn)定性、可靠性、耐久性 有非常重要的作用。文章針對建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要因素， 以及結(jié) 構(gòu)優(yōu)化的方法等方面做簡要的分析，以提高建筑結(jié)構(gòu)的整體的穩(wěn)定 性、耐久性等性能?！娟P(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；結(jié)構(gòu)類型0引言建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即在一些建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案中選取最優(yōu)的或最 適宜的設(shè)計(jì)方案，它參照數(shù)學(xué)中的模型最優(yōu)化原理應(yīng)用到建筑工程結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化比選中。研究發(fā)現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中是否穩(wěn) 定、耐久、合理等，主要決定于在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時選定的結(jié)構(gòu)類型是 否最優(yōu)、是否最符合工程結(jié)構(gòu)的需要。對于同一座建筑工程項(xiàng)目，不 同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2、師知識儲備不同，因此可能會設(shè)計(jì)出不同的結(jié)構(gòu)類型、 結(jié)構(gòu)體系，但經(jīng)過結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化、從而選取最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)類型，提 高建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命、穩(wěn)定性能。1建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要因素1.1 荷載設(shè)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，任何一座建筑結(jié)構(gòu)都需要受到水平力和豎向荷載的作 用，同時建筑還要承受較大的風(fēng)荷載、地震力的作用等。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu) 的整體高度比較低時，由結(jié)構(gòu)本身的重力引起的豎向荷載對結(jié)構(gòu)的作 用比較明顯，而水平荷載作用在結(jié)構(gòu)上，產(chǎn)生的內(nèi)力和位移比較小， 往往在計(jì)算時不考慮水平荷載的作用； 若在較高層建筑設(shè)計(jì)中，雖然 所受到的豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大程度的影響，但水平荷載對建筑 結(jié)構(gòu)本身的影響比豎向荷載產(chǎn)生的影響更加強(qiáng)烈。研

3、究表明，隨著建筑結(jié)構(gòu)整體高度的逐漸增加，水平荷載對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響越將會 越來越大，因此，在建筑結(jié)構(gòu)高度較高時，結(jié)構(gòu)所承受的水平荷載對 結(jié)構(gòu)的影響則不可忽視。1.2 選取結(jié)構(gòu)類型較輕的在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，要盡量選取結(jié)構(gòu)體較輕的。在現(xiàn)代結(jié)構(gòu) 優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員越來越重視選用輕質(zhì)高強(qiáng)材料，從而做大程度 上減輕整體結(jié)構(gòu)的自重。由于在多層建筑結(jié)構(gòu)中，水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn) 生的影響處于較次要地位，結(jié)構(gòu)所承受的主要荷載是豎向荷載。由于 多層建筑樓層較少，整體高度相對比較低，結(jié)構(gòu)自重相對來說較輕， 對材料的強(qiáng)度要求不是特高。但隨著建筑結(jié)構(gòu)高度的增加，在較多的樓層作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的 自重荷載則會比較大，使得

4、建筑結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的豎向荷載， 同 時在水平荷載的作用下，結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件（柱）中會產(chǎn)生較大的水平 剪力和附加軸力。為了使得結(jié)構(gòu)滿足剛度和強(qiáng)度的要求， 通常采取加 大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸，但是加大構(gòu)件的截面尺寸會使得結(jié)構(gòu)的整體 自重增加。因此在高層建筑結(jié)構(gòu)首先應(yīng)該考慮如何減輕結(jié)構(gòu)的自重。研究表明，當(dāng)在高層或超高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時，選用結(jié)構(gòu)強(qiáng) 度高、自重較輕的鋼結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)可以很大程度上減小建筑 結(jié)構(gòu)的自重。1.3 側(cè)向位移據(jù)相關(guān)資料表明，建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移隨著建筑高度的增加而逐 漸增大，因此，在建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對層數(shù)較少、高度較低的 結(jié)構(gòu)，可以不考慮其側(cè)向位移對結(jié)構(gòu)的影響。 但

5、隨建筑結(jié)構(gòu)高度的增 加，整體結(jié)構(gòu)的側(cè)移對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響則不可忽視。研究表明，由于水平荷載對結(jié)構(gòu)作用產(chǎn)生的側(cè)移隨著建筑高度的 增加而逐漸增大，且側(cè)移量與結(jié)構(gòu)高度成一定的關(guān)系。在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時，既需要充分考慮建筑結(jié)構(gòu)整體 是否具有足夠的承載能力，能否承受風(fēng)荷載的沖擊作用，又要求結(jié)構(gòu) 具有足夠的抗側(cè)移性能，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)受到較大的水平力作用下， 其可 以很好地控制產(chǎn)生過大的側(cè)移量，確保結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性能。與低層或多層建筑相比，高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度稍微差一些， 在發(fā) 生地震災(zāi)害時，結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形更大。為了確保高層建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)入 塑性階段后，結(jié)構(gòu)整體仍具有較強(qiáng)的抗側(cè)移性能，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性， 則需

6、要在高層建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)造上采取合適的措施，確保結(jié)構(gòu)具有足夠的延性，從而滿足結(jié)構(gòu)的剛度要求。2建筑優(yōu)化方法綜述2.1 基本假設(shè)(1)彈性體假設(shè)目前，對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程分析時，均采用彈性的分析方法。當(dāng) 結(jié)構(gòu)受到風(fēng)荷載或豎向荷載時，假設(shè)結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，符合建 筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。但是當(dāng)受到地震災(zāi)害或臺風(fēng)襲擊時， 結(jié)構(gòu)產(chǎn) 生較大的側(cè)向位移，更甚出現(xiàn)裂縫，使得結(jié)構(gòu)進(jìn)入到塑性階段，此時 不可以再用彈性變形計(jì)算，應(yīng)采用彈塑性理論進(jìn)行分析。(2)小變形假設(shè)小變形假設(shè)普遍應(yīng)用于結(jié)構(gòu)變形分析中。 但當(dāng)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的水平位 移與結(jié)構(gòu)的高度比值大于0.002時，就不可以忽略PA效應(yīng)對結(jié)構(gòu) 的影響了。(3)剛性樓板假

7、設(shè)在高層建筑結(jié)構(gòu)分析時，假設(shè)樓板的自身平面內(nèi)剛度無限大， 而 自身平面外的剛度則忽略不進(jìn)行計(jì)算。 采用這一假設(shè)，在很大程度上 減少了高層建筑結(jié)構(gòu)位移的自由度， 減小了計(jì)算的難度，并為筒體結(jié) 構(gòu)采用空間薄壁桿的計(jì)算理論提供了保障。 研究發(fā)現(xiàn)，剛性樓板假設(shè) 一般適用于框架結(jié)構(gòu)體系和剪力墻結(jié)構(gòu)體系中。2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法(1)并行算法由于高層建筑結(jié)構(gòu)的主要因素是結(jié)構(gòu)的抵抗水平力的性能。因 此，抗側(cè)移性能的強(qiáng)弱成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，且是衡量建筑結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性能的標(biāo)準(zhǔn)。由于在建筑結(jié)構(gòu)中，單位建筑結(jié)構(gòu)面積的結(jié)構(gòu)材料中，用于承擔(dān) 重力荷載的結(jié)構(gòu)材料用量與房屋的層數(shù)近似成正比例線性關(guān)系。此 外，

8、用于建筑結(jié)構(gòu)樓頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料用量幾乎是定值，不隨結(jié)構(gòu)的層數(shù) 變化；但是用于墻、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料用量隨樓房的層數(shù)成線性正 比例增加；而對于抵抗側(cè)向移動的結(jié)構(gòu)材料用量， 與樓房結(jié)構(gòu)層數(shù)的 二次方的關(guān)系增長。圖3-1表示在風(fēng)荷載作用下的5跨鋼框架結(jié)構(gòu)， 不同的結(jié)構(gòu)層數(shù)結(jié)構(gòu)材料各個構(gòu)件用量。研究表明，樓房結(jié)構(gòu)所采用的結(jié)構(gòu)體系是否具有較好的抗側(cè)力性能，在很大程度上影響結(jié)構(gòu)材料的用量，綜合考慮各方面的條件，通 過精心設(shè)計(jì)確定結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使結(jié)構(gòu)體系的材料用量降低 到最小程度。從上圖中的虛線以上陰影部分就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)約的 鋼材用量，因此高層建筑結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在很大程度上節(jié)約 工程的總造價

9、。(2可靠度優(yōu)化法在建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時，必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體可靠度優(yōu)化。 在 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生不活躍的地區(qū)，風(fēng)荷載是主要的水平荷載。因此，在非 地震災(zāi)害區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)的方案選型時， 應(yīng)優(yōu)先選用抗風(fēng)性能比較好 的結(jié)構(gòu)體系，也就是選用風(fēng)壓體型系數(shù)較小的建筑結(jié)構(gòu)體系。比如結(jié)構(gòu)外形呈曲線流線型變化的建筑結(jié)構(gòu)圓形、橢圓形等，或是結(jié)構(gòu)從下 往上逐漸減小的截錐形體系的風(fēng)壓體形系數(shù)較小，有利于很好地抗 風(fēng)。止匕外，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面布置時，適合選取結(jié)構(gòu)平面形狀和結(jié)構(gòu) 剛度分布均勻?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)體系類型，這樣可以在很大程度上減小風(fēng)荷 載作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響。同時，還要限制高層建筑結(jié)構(gòu)的高寬比，避免結(jié)

10、構(gòu)發(fā)生傾覆和失穩(wěn)現(xiàn)象。(3)高層體系優(yōu)化法由于建筑使用性能的不同，所以其對內(nèi)部空間的要求不同。同時, 高層建筑結(jié)構(gòu)使用功能不同，則其平面布置也發(fā)生改變。通常，住宅 和旅館的客房等宜采用小空間平面布置方案； 辦公樓則適合采用大小 空間均有；商場、飯店、展覽廳以及工廠廠房等則適宜采用大空間的 的平面布置；宴會廳、舞廳則要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有柱子的大空間。由于 不同的結(jié)構(gòu)體系可以提供的內(nèi)部空間的大小不同，因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該首先根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的使用功能，選用合適的結(jié)構(gòu)類型。3結(jié)束語綜上所述，在確定高層建筑結(jié)構(gòu)方案時，要全面考慮結(jié)構(gòu)的使用 功能、場地類別、設(shè)防烈度、建筑高度、地基基礎(chǔ)類型、結(jié)構(gòu)材料和 施工工藝，同時還要考慮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、