鋼框架體系優(yōu)化設計研究.pdf

1、在多、高層鋼結構中，鋼框架體系(包括純鋼框架結構和鋼框架一支撐結構)是一種常見的結構體系，特別是在鋼結構住宅中。如何準確、快速、經濟、合理地進行多、高層鋼框架體系設計(即對多、高層鋼框架體系進行優(yōu)化設計)，已經成為制約鋼結構住宅發(fā)展的一個瓶頸。多、高層鋼框架體系的優(yōu)化設計是一個既復雜而又綜合的結構優(yōu)化問題，因為它涉及到優(yōu)化領域的多個方面：從優(yōu)化層次來分，包括截面尺寸優(yōu)化和體系拓撲優(yōu)化；從優(yōu)化類型來分，包括單目標優(yōu)化和多目標優(yōu)化；從優(yōu)化算

2、法來分，包括尺寸優(yōu)化算法、拓撲優(yōu)化算法、單目標優(yōu)化算法和多目標優(yōu)化算法等。正是由于該優(yōu)化問題的復雜性和綜合性，使得該問題的研究具有相當的難度。 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)化設計。推導了考慮連接柔性和幾何非線性的局部坐標下的單元剛度矩陣，并對半剛性連接單元的固端力進行了

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力與連接之間耦合效應的半剛性鋼框架結構分析流程；結合工程實際提出了半剛性鋼框架的優(yōu)化數學模型，并采用改進后的遺傳算法對其進行優(yōu)化設計；根據算例分析了半剛性連接對鋼框架力學性能及優(yōu)化結果的影響，提出了一些有益的建議。 其次，針對設計人員對抗震鋼框架結構設計具有多個期望值的要求，探討了抗震鋼框架的多目標優(yōu)化設計。提出了一種求解復雜多約束多目標優(yōu)化問題的Pareto遺傳算法，并給出了

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

5、框架支撐體系靜力和動力連續(xù)型拓撲優(yōu)化的單元刪除準則(即靈敏度數計算公式)，分別給出相應的拓撲優(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)型拓撲優(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撲優(yōu)化研究中，通過引入拓撲變量和彈性模量變量，提出了一個受多工況荷載作用，能同時考慮應力、穩(wěn)定及位移等約束，既適用于桁架結構也適用于剛架結構的離散型拓撲優(yōu)化問題統(tǒng)一數學模型，并結合遺傳算法(包括單目標遺傳算法和Pa