同濟大學土木工程本科畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告-劉射洪

畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告（適用于工科類、理科類專業(yè)）課題名稱大跨度混合結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計學院（系）土木工程學院專業(yè)土木工程（巖土方向）學生姓名劉射洪學號0910392013年3月10日一、畢業(yè)設(shè)計（論文）課題背景（含文獻綜述）隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，在最近的一、二十年里，大跨度建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)水平發(fā)展迅速，其已經(jīng)成為代表一個國家建筑科技水平的重要標志之一。建筑物的跨度和規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)形式也越來越豐富多彩，許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為各地的象征性標志和著名的人文景觀。當建筑物的跨度達到或超過一定限度時，普通的平面結(jié)構(gòu)就開始變得不是很合理了。從國內(nèi)外工程實例可以看到，大跨度建筑多數(shù)采用各種形式的空間結(jié)構(gòu)體系，多由兩種或兩種以上不同材料的承重結(jié)構(gòu)所共同組成的結(jié)構(gòu)體，即混合結(jié)構(gòu)?；旌辖Y(jié)構(gòu)不是指單一的結(jié)構(gòu)形式，如混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等，而是指多種結(jié)構(gòu)（或稱構(gòu)件）混合而成的一種結(jié)構(gòu)系形式。大跨度建筑中的混合結(jié)構(gòu)是近年來結(jié)構(gòu)專業(yè)的新型提法，是大跨度建筑中不可或缺的結(jié)構(gòu)形式。按照目前比較認可的分類方法，大跨度混合結(jié)構(gòu)體系由拱（殼）單元、梁（板）單元、桿系單元和索（膜）單元這四類基本單元相互混合而成，分為剛性構(gòu)件混合結(jié)構(gòu)和剛、柔構(gòu)件混合結(jié)構(gòu)兩大類(圖1)。隨著技術(shù)水平的發(fā)展，大跨度混合建筑展現(xiàn)出多樣化的格局，由以前較重的結(jié)構(gòu)體系發(fā)展到輕薄的結(jié)構(gòu)體系，由傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)發(fā)展到半剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)。大跨度混合結(jié)構(gòu)體系大跨度混合結(jié)構(gòu)體系剛性構(gòu)件混合結(jié)構(gòu)剛、柔構(gòu)件混合結(jié)構(gòu)拱（殼）單元+梁（板）單元拱（殼）單元+桿系單元梁（板）單元+桿系單元混合吊掛體系混合張拉體系混合加勁體系半剛性懸掛體系圖1大跨度建筑混合結(jié)構(gòu)的分類然而，隨著大跨度混合結(jié)構(gòu)體系的日趨多樣化，其設(shè)計與施工也變得錯綜復雜。設(shè)計中不僅要考慮建筑功能與結(jié)構(gòu)受力，而且應該考慮到文化、社會、經(jīng)濟、設(shè)備技術(shù)等各方面的因素，使建筑物實現(xiàn)最好的綜合效果。同樣，施工中不僅要考慮技術(shù)的可行性，更應考慮到經(jīng)濟效益、環(huán)境影響等因素。而這都給大跨度混合建筑結(jié)構(gòu)的精確計算和優(yōu)化設(shè)計提出了新的要求。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的重大發(fā)展。因為同一個設(shè)計任務，可以有多種不同的可用的設(shè)計方案，從所有可用方案中選出最滿意的方案自然是理所當然的追求。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計從馬克斯威爾理論（Maxwell，1880）和米歇爾（Michell，1905）桁架出現(xiàn)起已有百年，從史密特（Schmit，1964）用數(shù)學規(guī)劃來解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計算起亦有近50年歷史，特別是過去40年內(nèi)，在理論、算法和應用方面都取得了長足的發(fā)展。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計包含三個層次，即結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化、結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化和結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化。（1）結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化各個結(jié)構(gòu)的功能要求決定之后，就要根據(jù)功能要求為結(jié)構(gòu)選型。例如，要修建一座覆蓋空間很大的大跨度結(jié)構(gòu)，可以采用多種結(jié)構(gòu)類型的方案，如拱型結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)等，甚至充氣結(jié)構(gòu)。對高層建筑而言，可選用框架結(jié)構(gòu)、框一剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、懸掛結(jié)構(gòu)等形式。由于對結(jié)構(gòu)的強度、剛度、動力特性、造價、抵御自然災害的能力、美學效應以及其他社會效應的眾多要求，結(jié)構(gòu)選型是一個綜合性很強的決策問題，它要求力學、結(jié)構(gòu)、建筑學、美學、經(jīng)濟學等學科的密切配合才能很好地解決。（2）結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化是先從結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計入手，使結(jié)構(gòu)的平面布置盡量規(guī)則、對稱，立面和豎向規(guī)則，側(cè)向剛度均勻變化。同時，通過計算和定量分析，對關(guān)系到體系整體性能的設(shè)計變量，如框架結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)布置、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻的數(shù)量、平面布置和剛度特征值等進行優(yōu)化。（3）結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化在給定的結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)材料、平面布置的情況下，對各個構(gòu)件進行優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料使用量最少，達到最佳的經(jīng)濟效益，這就是結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化。結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化的對象，可能是構(gòu)件的截面尺寸、剪力墻或者板的厚度、配筋面積等。構(gòu)件優(yōu)化最簡單有效的方法是利用有限元軟件建模。對結(jié)構(gòu)進行計算分析，得到位移和應力，期間不需要對網(wǎng)格進行重復劃分，可以利用數(shù)學方法來完成優(yōu)化。對于單元連接的框架結(jié)構(gòu)，桿件的橫截面特性發(fā)生改變時，就需要重新劃分網(wǎng)格；對于具有連續(xù)性的板或者殼，可以僅僅把構(gòu)件厚度作為優(yōu)化設(shè)計變量，在優(yōu)化過程中，這類設(shè)計變量與剛度矩陣是簡單的線性關(guān)系。因此，結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化主要依靠數(shù)學優(yōu)化算法來實現(xiàn)。近十幾年來，把優(yōu)化理論應用在工程上的研究發(fā)展有以下特點：（1）在整體上注重方法論。強調(diào)從工程的整體去研究，把工程技術(shù)、工程管理和工程經(jīng)濟三者綜合起來考慮，追求優(yōu)化效果的最優(yōu)化。（2）在工程技術(shù)方面，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，考慮某些量的模糊性。因為結(jié)構(gòu)類型和不同地震區(qū)等原因，結(jié)構(gòu)受到的荷載和作用以及材料的性能等這些量具有一定的模糊性，考慮一定的模糊性也許可能使優(yōu)化設(shè)計更加合理，可以給工程帶來更好的經(jīng)濟效益。（3）對一些簡單或者規(guī)則的結(jié)構(gòu)的類型和構(gòu)件，可以根據(jù)計算機編程或者軟件進行優(yōu)化，這種方法隨著計算機科技水平的飛速發(fā)展，也得到很大的發(fā)展，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的應用有著很好的推動。（4）用CAD進行設(shè)計時，運用優(yōu)化理論，形成在設(shè)計中應用理論的優(yōu)化方法，推動了設(shè)計的改革。（5）隨著智能技術(shù)的日益發(fā)展，一些學者正在研究和探索能否采用人工智能的方法來改良和升華結(jié)構(gòu)優(yōu)化的每個環(huán)節(jié)，這種智能方法的應用，可以很好的融入到結(jié)構(gòu)設(shè)計中，并且省時省力，讓更多的設(shè)計者對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，能夠很好的推廣優(yōu)化的應用領(lǐng)域。目前，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計解決的問題從減輕結(jié)構(gòu)重量擴展到降低應力水平、改進結(jié)構(gòu)性能和提高安全壽命、使用舒適度等更多方面。無論國內(nèi)還是國外對這一現(xiàn)代技術(shù)的需求都有增長的趨勢。隨著經(jīng)濟和科技的日新月異，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展一定會越走越遠，它在實際工程中的應用也會越來越多，前景是非常廣闊的。但是，現(xiàn)在對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的對象還是主要針對高層建筑，對于大跨度建筑的優(yōu)化研究較少，而對于大跨度混合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計更是少之又少。隨著大跨度混合建筑的日益增多，積極探討大跨度混合建筑結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設(shè)計，具有明顯的社會和經(jīng)濟效益。大型城市商業(yè)綜合體作為一種典型的大跨度混合結(jié)構(gòu)，隨著人們對其美觀、功能要求的不斷提高，其設(shè)計與施工難度也大大加強。結(jié)構(gòu)選型是大跨度混合結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵之一，合理的混合結(jié)構(gòu)選取，不僅能確保結(jié)構(gòu)滿足正常使用和承載力極限狀態(tài)的剛度、強度以及延性指標，還能較好地發(fā)揮材料的性能，加快施工進程，取得良好的經(jīng)濟指標。因此，大跨度混合結(jié)構(gòu)的選型比較與優(yōu)化設(shè)計顯得極其重要。本畢業(yè)設(shè)計課題主要要求學生結(jié)合具體工程實例，通過對其選型比較及優(yōu)化設(shè)計確定合理的結(jié)構(gòu)方案，繼而對選定方案進行構(gòu)件驗算，掌握并熟悉運用以下設(shè)計概念和設(shè)計方法：了解大跨度混合結(jié)構(gòu)的分類及運用，并針對具體工程進行比較分析；學習如何利用PKPM或ETABS軟件進行大跨度混合結(jié)構(gòu)的整體建模分析，把握大跨度混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計控制指標；掌握大跨度混合結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計驗算方法。二、畢業(yè)設(shè)計（論文）方案介紹（主要內(nèi)容）查閱國內(nèi)外相關(guān)文文獻，收集資料；翻譯相關(guān)的外文文獻一篇；結(jié)合具體大跨度建筑混合結(jié)構(gòu)工程實例，通過對其選型比較及優(yōu)化設(shè)計確定合理的結(jié)構(gòu)方案；針對最終確定的結(jié)構(gòu)方案進行構(gòu)件驗算；完成畢業(yè)設(shè)計工作，撰寫報告，并做好答辯準備；畢業(yè)設(shè)計（論文）提綱：1緒論1.1研究背景1.1.1大跨度混合結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.1.2大跨度混合結(jié)構(gòu)的特點1.1.3研究意義1.2大跨度混合結(jié)構(gòu)體系1.2.1剛性構(gòu)件的混合1.2.2剛、柔構(gòu)件的混合1.3大跨度混合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計1.3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展1.3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的層次1.3.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的特點1.4本文的主要工作2大跨度混合結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.1混凝土構(gòu)件與鋼構(gòu)件的混合2.1.1概念2.1.2設(shè)計要點2.2混凝土構(gòu)件與組合構(gòu)件的混合2.2.1概念2.2.2設(shè)計要點2.3混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件及組合構(gòu)件的混合2.3.1概念2.3.2設(shè)計要點2.4混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件及拉索構(gòu)件的混合2.4.1概念2.4.2設(shè)計要點2.5本章小結(jié)3工程實例設(shè)計與分析3.1工程概況3.2初步設(shè)計3.2.1設(shè)計依據(jù)3.2.2分析軟件選取及參數(shù)確定3.2.3結(jié)構(gòu)布置3.3優(yōu)化分析3.3.1選型優(yōu)化3.3.2結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化3.3.3構(gòu)件優(yōu)化3.3.4構(gòu)造要求3.4經(jīng)濟技術(shù)對比3.5本章小結(jié)4結(jié)論與展望4.1結(jié)論4.2展望參考文獻附錄謝辭三、畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要參考文獻[1]GB50009-2012．建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.[2]GB50010-2010．混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.[3]GB50011-2010．建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.[4]GB50017-2003．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.[5]JGJ138-2001．型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.[6]JGJ/T249-2011．拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.[7]JGJ257-2012．索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.[8]林同炎，斯多臺斯伯利．結(jié)構(gòu)概念和體系［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.[9]羅福午，張惠英，楊軍．建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計及案例［M］．北京：清華大學出版社，1999.[10]李國強，黃宏偉，吳迅等．工程結(jié)構(gòu)荷載與可靠度設(shè)計原理［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.[11]顧祥林．混凝土結(jié)構(gòu)基本原理［M］．上海：同濟大學出版社，2011.[12]顧祥林．建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］．上海：同濟大學出版社，2011.[13]沈祖炎，陳揚驥，陳以一．鋼結(jié)構(gòu)基本原理［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.[14]馬人樂，羅烈，鄧洪洲等．建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］．上海：同濟大學出版社，2008.[15]呂西林，周德源，李思明等．建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論與實例［M］．上海：同濟大學出版社，2011.[16]王靜峰．組合結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2011.[17]聶建國．鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)原理與實例［M］．北京：科學出版社，2009.[18]張其林．建筑索結(jié)構(gòu)設(shè)計計算與實例精選［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.[19]北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國建筑標準設(shè)計研究院．ETABS中文版使用指南［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.[20]中國建筑科學研究院．多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件SATWE用戶手冊及技術(shù)條件［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.[21]劉宏偉．大跨建筑混合結(jié)構(gòu)設(shè)計研究［D］．上海：同濟大學，2008.[22]徐洪濤．大跨度建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的建構(gòu)研究［D］．上海：同濟大學，2008.[23]劉宏偉．大跨建筑混合結(jié)構(gòu)的分類［J］．城市建筑，2008，（11）：29-31.[24]張鐵軍．對大跨度建筑中混合結(jié)構(gòu)設(shè)計分析［J］．科學與財富，2012，（1）：85.[25]凌峰.論大跨建筑的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］．城市建設(shè)，2009，（34）：142-144.[26]胡世德．北京大跨度建筑的發(fā)展與展望［J］．建筑技術(shù)，2000，31（10）：664-668.[27]王仕統(tǒng)．大跨度空間結(jié)構(gòu)的進展［J］．華南理工大學學報(自然科學版)，1996，24（10）：17-24.[28]李國強．當代建筑工程的新結(jié)構(gòu)體系［J］．建筑學報，2002，（7）：22-26.[29]侯昶，葉燕華.建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的現(xiàn)在與展望［J］．基建優(yōu)化，1996，17（3）：8-13.[30]汪樹玉，劉國華，包志仁.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的現(xiàn)狀與進展［J］．基建優(yōu)化，1999，20（4）：4-14.[31]陳國藩.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的新動向［J］．基建優(yōu)化，1989，10（3）：8-21.[32]呂大剛，王光遠.結(jié)構(gòu)智能優(yōu)化設(shè)計——一個新的研究方向［J］．哈爾濱建筑大學學報，1999，32（4）：7-12.[33]楊雅婷，劉敏，王斌.淺析建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面的問題［J］．科技視野，2012，（28）：298，315.[34]黃勉．大底盤多塔商住樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］．住宅科技，2005，（8）：8-12.[35]王華，徐慧芳，陳棟等．東方之門北裙房結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2009，39（增刊）：248-250.[36]唐增洪，胡鳴，莫德明等.珠海某酒店超高層大跨度混合結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2011，41（增刊）：454-457.[37]孟憲亮，鄒國萍．大跨度鋼屋蓋與底部混凝土混合結(jié)構(gòu)工程分析［J］．四川建筑，2009，29（9）：213-215，219.[38]董衍偉．鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)工程應用［J］．科技向?qū)В?011，（30）：183.[39]蔣周剛，張宏濤，王友國．鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)研究概述［J］．山西建筑，2006，32（19）：58-59.[40]黃宇星，祝磊，張艷霞．鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)研究綜述［J］．鋼結(jié)構(gòu)，2012，（增刊）：117-125.[41]薛發(fā)．國外多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展概況［J］．工程建設(shè)與設(shè)計，2004，（5）：3-4.[42]林旭川，陸新征，葉列平．鋼—混凝土混合框架結(jié)構(gòu)多尺度分析及其建模方法［J］．計算力學學報，2010，（6）：469-495.[43]姚澤良，白國良，黨發(fā)寧等．某鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)動力振動響應分析［J］．武漢理工大學學報，2010，（5）：199-202.[44]姚澤良，白國良，黨發(fā)寧等.基于梁單元的鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)非線性地震響應分析［J］．土木工程學報，2011，（8）：66-71.[45]田丹丹，丁小軍，馮成運.基于不同含鋼率的型鋼混凝土柱—鋼梁混合結(jié)構(gòu)抗震分析［J］．甘肅科技，2011，（1）：92-95.[46]閻興華，朱清峰，蘇志宏.鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)節(jié)點抗震設(shè)計方法研究綜述［J］．北京建筑工程學院學報，2006，（6）：1-6.[47]孟憲平.混凝土柱上輕鋼屋蓋房屋結(jié)構(gòu)概念設(shè)計［J］．中國房地產(chǎn)業(yè)，2011，（9）：233.[48]嚴慧．“雜交”結(jié)構(gòu)的應用和發(fā)展［J］．工業(yè)建筑，1996，（6）：10-16.[49]錢若軍，沈祖炎．索穹頂結(jié)構(gòu)［J］．空間結(jié)構(gòu)，1995，1（3）：1-7.[50]袁行飛，劉武文等．一種新型大跨空間結(jié)構(gòu)——張拉整體索穹頂［J］．新建筑，2000，（2）：74-75.[51]尹越，韓慶華等．一種新型雜交空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)——弦支穹頂［J］．工程力學，2001，（增刊）：772-776.[52]白正仙，劉習良等．新型空間結(jié)構(gòu)形式——張弦梁結(jié)構(gòu)［J］．空間結(jié)構(gòu)，2001，7（2）：33-38.[53]陳榮毅，董石麟．大跨度預應力張弦桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析［J］．空間結(jié)構(gòu)，2003，9（1）：45-47.[54]張恒春，嚴熙．中山大學風雨球場索—拱雜交結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］．華南理工大學學報(自然科學版)，2003，31（10）：86-89.[55]董石麟．預應力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的應用與展望［J］．空間結(jié)構(gòu)，2001，7（4）：3-14.[56]錢若軍，董明等．索穹頂結(jié)構(gòu)的特性及分析［J］．建筑結(jié)構(gòu)學報，1998，19（2）：23-27.[57]郭莉，付功義.索在雜交結(jié)構(gòu)體系中的應用［J］．四川建筑科學研究，2006，32（4）：33-36.[58]Charles.W.Roeder.OverviewofHybridandCompositeSystemforSeismicDesignintheUnitedStates[J].EngineeringStructures,1998，（4）:6.[59]FranklinY.Cheng.InelasticAnalysisof3DMixedSteelandReinforcedConcreteSeismicBuildingSystems[J].Computers&Structures,1981，（13）:189-196.[60]SubhashC.Goel.