含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明創(chuàng)造涉及建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 進(jìn)行高層建筑框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力（風(fēng)荷載，地震荷載等）優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要將目 標(biāo)函數(shù)和約束條件以涉及的變量顯式表達(dá)，從而將結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題數(shù)學(xué)建模為有約束條件的 函數(shù)極值問題，然后進(jìn)行優(yōu)化迭代求解。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在高層建筑抗風(fēng)或抗震優(yōu)化方法的相 關(guān)技術(shù)中，關(guān)于構(gòu)件的位移約束條件的顯示表達(dá)式多數(shù)是針對簡單的矩形截面單一材料構(gòu) 件的，而實(shí)際工程中，很多高度超過150m的高層或超高層建筑結(jié)構(gòu)多數(shù)使用鋼管混凝土柱 作為一種重要的承壓和抗側(cè)力構(gòu)件，對于含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)力優(yōu) 化設(shè)計(jì)方法的缺失導(dǎo)致一般的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法無法應(yīng)用于含有鋼管混凝土柱的實(shí)際工程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明創(chuàng)造的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足之處而提供一種含有鋼管混 凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
[0004] 本發(fā)明創(chuàng)造的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0005] 提供了含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所述高層建筑框架 結(jié)構(gòu)包括鋼管混凝土柱，包括以下步驟：
[0006] 1)對所述高層建筑框架結(jié)構(gòu)建立框架結(jié)構(gòu)模型，所述框架結(jié)構(gòu)模型為有限元模 型，其上劃分有多個(gè)單元，單元之間形成單元節(jié)點(diǎn)；
[0007] 2)采用剛度等效的方法將鋼管混凝土柱等效為素混凝土柱，計(jì)算由鋼管混凝土柱 截面作為優(yōu)化變量顯示表達(dá)的所述素混凝土柱的等效直徑，采用有限元分析方法將所述等 效直徑和優(yōu)化變量賦值給框架結(jié)構(gòu)模型；
[0008] 3)采用有限元分析方法對賦值后的框架結(jié)構(gòu)模型的單元節(jié)點(diǎn)施加外荷載，并求出 框架結(jié)構(gòu)模型在外荷載下的內(nèi)力；然后在存在位移約束的所有單元節(jié)點(diǎn)位置分別逐一施加 單位虛荷載，每次施加單位虛荷載均作為一個(gè)獨(dú)立工況，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析后，讀取上述各個(gè) 獨(dú)立工況下的框架結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)力；
[0009] 4)基于虛功原理和步驟3)分析得到的框架結(jié)構(gòu)模型在外荷載和單位虛荷載作用 下的內(nèi)力，計(jì)算框架結(jié)構(gòu)模型頂部位移和層間側(cè)移，將頂部位移和層間側(cè)移以優(yōu)化變量顯 式表達(dá)；
[0010] 5)以頂部位移和層間側(cè)移為約束條件，以整體結(jié)構(gòu)造價(jià)最低來建立結(jié)構(gòu)材料的總 造價(jià)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)所述約束條件和所述目標(biāo)函數(shù)，在優(yōu)化變量的邊界條件范圍內(nèi) 對優(yōu)化變量進(jìn)行迭代優(yōu)化，獲得最終的鋼管混凝土柱截面。
[0011] 其中，步驟2)中，所述優(yōu)化變量具體為鋼管混凝土柱截面的外徑D和厚徑比V，其 中v=t/D，t為鋼管壁厚。
[0012] 其中，步驟2)中等效直徑表達(dá)式為：
[0013]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所述高層建筑框架結(jié)構(gòu)包括 鋼管混凝土柱，其特征在于，包括以下步驟： 1) 對所述高層建筑框架結(jié)構(gòu)建立框架結(jié)構(gòu)模型，所述框架結(jié)構(gòu)模型為有限元模型，其 上劃分有多個(gè)單元，單元之間形成單元節(jié)點(diǎn)； 2) 采用剛度等效的方法將鋼管混凝土柱等效為素混凝土柱，計(jì)算由鋼管混凝土柱截面 作為優(yōu)化變量顯示表達(dá)的所述素混凝土柱的等效直徑，采用有限元分析方法將所述等效直 徑和優(yōu)化變量賦值給框架結(jié)構(gòu)模型； 3) 采用有限元分析方法對賦值后的框架結(jié)構(gòu)模型的單元節(jié)點(diǎn)施加外荷載，并求出框架 結(jié)構(gòu)模型在外荷載下的內(nèi)力；然后在存在位移約束的所有單元節(jié)點(diǎn)位置分別逐一施加單位 虛荷載，每次施加單位虛荷載均作為一個(gè)獨(dú)立工況，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析后，讀取上述各個(gè)獨(dú)立 工況下的框架結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)力； 4) 基于虛功原理和步驟3)分析得到的框架結(jié)構(gòu)模型在外荷載和單位虛荷載作用下的 內(nèi)力，計(jì)算框架結(jié)構(gòu)模型的頂部位移和層間側(cè)移，將頂部位移和層間側(cè)移以優(yōu)化變量顯式 表達(dá)； 5) 以頂部位移和層間側(cè)移為約束條件，以整體結(jié)構(gòu)造價(jià)最低來建立結(jié)構(gòu)材料的總造價(jià) 優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)所述約束條件和所述目標(biāo)函數(shù)，在優(yōu)化變量的邊界條件范圍內(nèi)對優(yōu) 化變量進(jìn)行迭代優(yōu)化，獲得最終的鋼管混凝土柱截面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特 征在于：步驟2)中，所述優(yōu)化變量為鋼管混凝土柱截面的外徑D和厚徑比v，其中V =t/ D，t為鋼管壁厚。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特 征在于：步驟2)中等效直徑表達(dá)式為：
式中，De表示鋼管混凝土的等效直徑，E s為鋼管的彈性模量，E。為鋼管內(nèi)混凝土的彈性 模量；Gs為鋼管的剪切模量，G。為鋼管內(nèi)混凝土的剪切模量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其 特征在于：框架結(jié)構(gòu)模型在外荷載和單位虛荷載作用下的內(nèi)力包括：鋼管混凝土柱在外荷 載作用下產(chǎn)生的X軸方向的軸力F X(M1和y軸、z軸方向的剪力、巧"1，繞X軸的扭矩及 繞y軸、z軸的彎矩Mr、，以及在相應(yīng)位移處施加單位虛荷載時(shí)鋼管混凝土柱的X軸 方向的軸力fxj，y軸、z軸方向的剪力fyj、fzj，繞X軸的扭矩m xj及繞y軸、z軸的彎矩、m yJ、 mzj〇
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特 征在于：約束條件具體表達(dá)式為：
式中，為規(guī)范位移限值；Di為第i個(gè)鋼管混凝土柱的外徑、v i為第i個(gè)鋼管混 凝土柱的厚徑比；Nil為鋼管混凝土柱的個(gè)數(shù)，其中各系數(shù)表達(dá)式如下：
其中，Li為第i個(gè)鋼管混凝土柱長度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法， 其特征在于：目標(biāo)函數(shù)具體為：
式中，T表示結(jié)構(gòu)材料的總造價(jià)；&表示鋼管混凝土柱的種類數(shù)；a、b分別為鋼管、混凝 土單位體積的價(jià)格;An、Ai2分別為鋼管截面積、鋼管內(nèi)混凝土截面積；Kil表示i類鋼管混凝 土柱的個(gè)數(shù)；I in為第n個(gè)i類鋼管混凝土柱的長度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特 征在于：步驟5)中，在優(yōu)化變量的迭代優(yōu)化過程，以優(yōu)化變量在迭代步v+1與迭代步V的 相對誤差絕對值作為收斂條件，具體表達(dá)式為：
為第i個(gè)鋼管混凝土柱在迭代步v的優(yōu)化變量值，e為預(yù)設(shè)極小常數(shù)；當(dāng)和 不滿足上收斂條件時(shí)，取新的優(yōu)化變量重新從步驟2)到步驟5)進(jìn)行迭代優(yōu)化，直到滿 足收斂條件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特 征在于：所述預(yù)設(shè)極小常數(shù)為0. 001。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特 征在于：所述高層建筑框架結(jié)構(gòu)還包括矩形截面梁，優(yōu)化變量還包括矩形截面梁的截面寬 B和截面高H ; 約束條件表達(dá)式擴(kuò)展為：
式中，Bi為第i個(gè)矩形截面梁的截面寬、Hi為第i個(gè)矩形截面梁的截面高；N i2為矩形 截面梁的個(gè)數(shù)，其中各系數(shù)表達(dá)式如下：
其中，LiS矩形截面梁的長度。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其 特征在于：所述高層建筑框架結(jié)構(gòu)還包括矩形截面梁，優(yōu)化變量還包括矩形截面梁的截面 寬B和截面高H ;目標(biāo)函數(shù)擴(kuò)展為：
其中，N2表示矩形截面梁的個(gè)數(shù)；B p氏分別為第i個(gè)矩形截面梁的寬和高；K i2表示i 類矩形截面梁的個(gè)數(shù)；第二式中的Iin為第n個(gè)i類鋼管混凝土柱的長度；第三式中的I inS 第n個(gè)i類矩形截面梁的長度。
【專利摘要】本發(fā)明創(chuàng)造公開了含有鋼管混凝土柱的高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法通過選取鋼管混凝土柱截面作為優(yōu)化變量，通過對鋼管混凝土柱等效轉(zhuǎn)換，利用有限元分析方法得出框架結(jié)構(gòu)在荷載作用下各桿件的內(nèi)力，再利用內(nèi)力，根據(jù)虛功原理，建立優(yōu)化變量與位移約束條件的顯式函數(shù)關(guān)系，配合以整體結(jié)構(gòu)造價(jià)最低這一優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)，在優(yōu)化變量的邊界條件范圍內(nèi)對優(yōu)化變量進(jìn)行迭代優(yōu)化運(yùn)算，從而獲得最優(yōu)的鋼管混凝土柱截面，進(jìn)而可得到最優(yōu)的總造價(jià)，確保材料用量少的同時(shí)，保證優(yōu)化后的高層建筑框架結(jié)構(gòu)的頂部位移和層間側(cè)移滿足有關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。該高層建筑框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法能減少建筑材料用量，而且優(yōu)化后的截面尺寸可滿足建筑和施工要求。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104820762
【申請?zhí)枴緾N201510268993
【發(fā)明人】徐安, 賀美花, 趙若紅, 傅繼陽, 劉愛榮, 吳玖榮
【申請人】廣州大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年5月22日