鋼框架體系優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、在多、高層鋼結(jié)構(gòu)中，鋼框架體系(包括純鋼框架結(jié)構(gòu)和鋼框架一支撐結(jié)構(gòu))是一種常見的結(jié)構(gòu)體系，特別是在鋼結(jié)構(gòu)住宅中。如何準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)、合理地進(jìn)行多、高層鋼框架體系設(shè)計(即對多、高層鋼框架體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計)，已經(jīng)成為制約鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的一個瓶頸。多、高層鋼框架體系的優(yōu)化設(shè)計是一個既復(fù)雜而又綜合的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，因為它涉及到優(yōu)化領(lǐng)域的多個方面：從優(yōu)化層次來分，包括截面尺寸優(yōu)化和體系拓?fù)鋬?yōu)化；從優(yōu)化類型來分，包括單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化；從優(yōu)化算

2、法來分，包括尺寸優(yōu)化算法、拓?fù)鋬?yōu)化算法、單目標(biāo)優(yōu)化算法和多目標(biāo)優(yōu)化算法等。正是由于該優(yōu)化問題的復(fù)雜性和綜合性，使得該問題的研究具有相當(dāng)?shù)碾y度。 本文首次從鋼框架和支撐體系兩方面系統(tǒng)研究了鋼框架體系的優(yōu)化設(shè)計。 首先，考慮到實際鋼框架梁柱螺栓連接都是半剛性連接，而且半剛性連接也體現(xiàn)了優(yōu)化思想，所以研究了半剛性連接鋼框架的靜力優(yōu)化設(shè)計。推導(dǎo)了考慮連接柔性和幾何非線性的局部坐標(biāo)下的單元剛度矩陣，并對半剛性連接單元的固端力進(jìn)行了

3、修正；給出了考慮連接非線性、框架的幾何非線性和單元內(nèi)力與連接之間耦合效應(yīng)的半剛性鋼框架結(jié)構(gòu)分析流程；結(jié)合工程實際提出了半剛性鋼框架的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并采用改進(jìn)后的遺傳算法對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；根據(jù)算例分析了半剛性連接對鋼框架力學(xué)性能及優(yōu)化結(jié)果的影響，提出了一些有益的建議。 其次，針對設(shè)計人員對抗震鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計具有多個期望值的要求，探討了抗震鋼框架的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。提出了一種求解復(fù)雜多約束多目標(biāo)優(yōu)化問題的Pareto遺傳算法，并給出了

4、抗震鋼框架多目標(biāo)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型；在此基礎(chǔ)上，通過兩個抗震鋼框架的優(yōu)化設(shè)計實例對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了討論，并為工程設(shè)計人員選擇最終的妥協(xié)解提供了一個可行的指標(biāo)參數(shù)。 接著，在上述鋼框架靜力和動力優(yōu)化設(shè)計研究的前提下，探討了支撐體系的靜力和動力連續(xù)型及離散型拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。 在支撐體系的靜力和動力連續(xù)型拓?fù)鋬?yōu)化研究中，引入了具有旋轉(zhuǎn)自由度的四邊形膜元，并提出了設(shè)計區(qū)域平均厚度的概念和計算方法；在漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上，建立了鋼

5、框架支撐體系靜力和動力連續(xù)型拓?fù)鋬?yōu)化的單元刪除準(zhǔn)則(即靈敏度數(shù)計算公式)，分別給出相應(yīng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法；并通過幾個實例分別探討了鋼框架支撐體系靜力和動力連續(xù)型拓?fù)鋬?yōu)化方法的可行性與有效性。 在支撐體系的靜力和動力離散型拓?fù)鋬?yōu)化研究中，通過引入拓?fù)渥兞亢蛷椥阅Ａ孔兞?，提出了一個受多工況荷載作用，能同時考慮應(yīng)力、穩(wěn)定及位移等約束，既適用于桁架結(jié)構(gòu)也適用于剛架結(jié)構(gòu)的離散型拓?fù)鋬?yōu)化問題統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合遺傳算法(包括單目標(biāo)遺傳算法和Pa