包头市某高层钢框架住宅的优化设计

发布时间：2016-04-20 17:13

1 绪论

1.1 高层钢结构的发展
钢结构住宅是钢结构建筑发展而来，使用钢材作为主要的承重骨架，其围护、分隔结构分别采用轻体材料组成。随着我国社会及经济不断地进步，整个住宅产业逐渐成为整个建筑业的核心增长点，从而带动钢结构住宅的发展。我国自改革开放以来，特别是二十世纪九十年代以后，随着国民经济的稳定发展和钢铁工业跨越式发展，我国在 1996 年钢材产量突破 1 亿吨，2011 年全国粗钢产量达到 6.8 亿吨[1]。钢材产量的过剩使得钢材市场越发低迷，很多专家提出只有钢结构住宅才可以解救钢材市场。因此为了缓解我国钢材过剩生产压力和缓解我国住房问题，我国提出了住宅产业化道路。我国 1992 年正式提出迈向住宅产业化，开启了住宅产业化的中国之路。在 1999年，政府确立房地产业作为拉动经济增长的支柱产业。伴随着住宅产业化的兴起，钢结构住宅也逐渐出现到了人们的视野中。 CTBUH（高层建筑与人居环境委员会）对高层钢结构进行了分类，根据不同建筑物不同的抗侧力结构对水平荷载效应的适应性对钢结构住宅进行了分类[2]，大致分为四类，如图 1.1 所示： （1）框架结构体系（包括半刚接及刚接框架）； （2）共同作用结构体系（包括框架-支撑体系、带伸臂桁架的框架-支撑体系）； （3）部分筒体结构体系（包括带支撑的槽型筒、槽型筒和工字型开口筒的组合筒）； （4）筒体结构体系（包括外筒、筒中筒及巨型支撑外筒）。 框架结构的延性性能较好，适用于层数较低不需要很大的抗侧力的建筑；共同作用结构，通过支撑构件提高了框架的刚度，但是由于这种支撑构件可能会导致屈曲变形，使得原结构发生更严重的破坏；部分筒体结构，其实就是支撑结构与筒体结构的结合体系，性能介于两者之间，抗侧性能比共同作用的支撑结构好一些，但是还会因为支撑破坏而影响整体屈曲；筒体结构，是一种柱网很密的框架结构，因为这种结构的梁跨度小，刚度大，所以整个结构形成一种整体受弯的薄壁筒体，抗侧刚度和承载力变得很大，此结构多用于高层和超高层建筑。高层钢结构中住宅建筑多采用框架或框架-支撑体系。 
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1.2 钢结构住宅的优化的必要性
从住宅适用性和经济性能上分析，可以说钢结构住宅是完胜普通混凝土住宅，但是为何房产市场中还是以混凝土住宅所谓主导。对此我们通过一个房地产公司，研究了阻碍钢结构发展的最主要原因——造价。钢结构住宅造价很高，这是买房者最为关心的问题。经济效应的评价标准不单只从成本出发，还要考虑综合效应，目前状况看来，钢结构住宅标价已经与一般混凝土持平，再加上现在逐步增加的劳动力成本，钢结构住宅已经完全可以达到一般混凝土住宅的成本。但是事实上在房地产市场中还是很少有钢结构形式的住宅出现。经过走访多家房地产公司才了解到，理论上的综合成本已经和混凝土结构的住宅持平，但是我国设计混凝土结构经验丰富，而对高层复杂的钢结构形式建筑的设计水平还没有达到世界顶级水平。因此受限于设计水平、施工技术、我国工业化程度，使得钢结构住宅用钢量达到很高，这才是致使钢结构住宅无法大规模出现的最重要原因。 正是因为钢结构在使用中还存在很多问题，所以本文对钢框架住宅提出优化的建议。本文针对钢结构住宅进行了细致的分析，主要就是从设计层面来减小用钢量，从而减小成本，来试图改善钢结构住宅市场。而含钢量过大就是房地产公司和业主最关心的问题之一。 
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2  结构优化理论 

2.1 优化算法 
结构优化设计是 20 世纪 60 年代初新出现的一门学科，就是将结构设计和计算机基础结合使用的新领域[19]。 传统的优化设计就是单纯的依靠设计者的实践经验，再根据类似的工程设计，拟出多个方案进行比较分析，针对结构选型、材料选择、构件尺寸、构件样式等进行优化设计[20]。但是这种优化方案就限于设计者的经验，从而不能达到最优方案，只能得出可行方案。所以传统的设计方法作出的可行方案，就是依靠反复分析结构的性能，力学分析最终只是起到一种校核的服务作用[21]，而不是主动地设计变量来影响结构的参数。 现代的结构优化设计可以说已经发展成为单纯的计算机技术[19,22]，不需要过多的设计经验，只要依靠设计规范来规定优化变量，就可以完成整个优化过程，这种方式一定可以达到最优方案，但是又违背了工程实际情况，很可能造成严重的事故[23]。分部优化法是指把结构分成很多构件，比如基本的杆件、梁等，根据这些构件的受力情况对它们进行优化，再组合起来重新分析，不断重复这样分部到整体的交替过程，直到前后两次方案的变化足够微小，在误差范围内为止[24]。然后针对最后的方案进行一次分析，看看是否可行。图 2.1 是分部优化法的两个框图，一个不带可行性调整，但对收敛性没有把握；另一个带可行性调整，每次迭代结束都把方案调整到可行域边界上，并用目标函数值的比较来判断收敛[25]。 建筑结构优化设计是指在满足各种规范或某些特定要求的条件下，使建筑结构的某种指标（如重量、造价、刚度等）为最佳的设计方法[26]。也就是要在所有可用方案和做法中，按某一目标选出最优的方法[27]。 
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2.2  本文采用的优化算法
本文试图结合使用设计类软件 STS 和有限元分析软件 ABAQUS，结合 YJK 软件辅助计算。整体优化设计的方向就是“构件优化、整体分析”。根据工程实际经验提出可优化构件的方案进行构件优化，然后针对每个方案做整体分析观察结构性能。 本文采用的是一种传统的优化方法-分部优化法。分部优化法的思路是，对给定结构设计方案在各种工况下进行整体分析，得到它的内力分部；然后假设内力恒定的情况下，把结构拆开成若干构件或子结构，进行分部优化，修改各部分的设计变量，再将各部分重新拼装，得到一个新的结构方案。这也是前文说到的“构件优化”。 因为本文研究的是实际工程，所以优化单一构件一定会对建筑物整体产生影响，因此在“构件优化”的情况下对建筑物进行整体分析，在“构件优化”的方案中选取一个最合适方案进行分析验证，，来确保安全性。 首先对已建建筑进行重新建模，与之前模型对比分析，寻找出优化方向（体系，构件）。分别分析体系和构件，寻找在不影响房屋使用和住房面积的情况下，含钢量和总造价最优化的方案。 结构设计的优化，不是以牺牲结构安全度和抗震性能来求得经济效益的，而应该是优化人员以自身精益求精的责任感和成本控制意识，通过进行多方案比较、反复计算以及构造等方面的把控而得到一个安全、经济、合理的设计成果，找到其中安全、经济的平衡点。优化的过程着眼于结构体系和布置的合理性以及高新技术的应用。通过减轻重量、和顺刚度、增大延性等措施使结构更趋合理，从而提高安全度。结构设计优化还可发现差错，纠正不足，降低不安全因素。 
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3  某钢框架住宅梁的优化设计 .....13 
3.1  工程概况 ...... 13 
3.2  优化方案 ...... 14 
3.2.1  优化方案介绍 ..... 14 
3.2.2  优化过程 .... 22 
3.3  本章小结 ...... 30 
4  优化方案抗震分析和优化结果分析 ..... 31 
4.1  抗震设计 ...... 31 
4.2  优化结果对比 ....... 38 
4.3  本章小结 ...... 39 

4  优化方案抗震分析和优化结果分析

4.1  抗震设计

原方案、方案一、方案二、方案三中，建筑物整体在地震作用下的层间位移都小于 1/250，而方案三的应力比图中发现多处钢柱强度应力比、平面内稳定应力比、平面外稳定应力比大于 1，因此方案三会出现柱子的破坏，所以拟出的方案二为最优方案。 根据规范要求，超过 60m 的钢结构建筑应使用反应谱法进行补充验算[37,38]。所以为了保证优化结果的真实性，继续用 ABAQUS[45]和 YJK 有限元软件对方案二进行加载地震波模拟。   作弹性时程分析时，所选用的地震组数不少于二组实际震动强度记录和一组人工模拟的加速度时程曲线。选取地震波应考虑三个要素：（1）频谱特性。（2）峰值调整。（3）地震动持时。包头市设防烈度 8 度，地震加速度 0.2g，最大影响系数 0.16，峰值加速度 70cm/s2，特征周期 0.35s，阻尼比 0.02。根据以上条件选取列三条地震波。人工波“包头市”，PGA（地震波主方向峰值加速度）=70 cm/s2，持续时间为 30.008s，其波形图如图 4.1。天然波“Whittier Narrows-01_NO_612”，PGA=67.9676 cm/s2，持续时间 36.96s，发生于 1987 年 10 月 1 日早晨 7:42，里氏 5.9 级，波形图如图 4.2[46]。天然波“Northridge-06_NO_1696”，地震波主方向峰值加速度 68.5572  cm/s2，持续时间为4.99s，发生于1994年1月17日凌晨4:31，里氏6.6级地震，波形图如图4.3[47]。 

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结    论

本文对包头市某钢结构住宅 14#楼进行优化设计，优化梁截面尺寸，进行了抗震设计。型钢梁用钢从原方案的 500.16T 减小到 456.15T，优化率达到 7.40%，总用钢量从 109.44kg/m2减少到 107.01kgkg/m2。通过抗震性能验证，优化方案提高了建筑抗震性能，减小建筑物的扭转效应、层间位移。并且通过对已建建筑的优化设计，提出新的方案，对设计单位提出含钢量要求的控制，并且已经落实到该项目三期、四期项目的开发，大大节约了成本。 本文因时间有限只涉及到钢结构住宅的梁优化设计，工程中楼板，支撑以及柱子和地基都可以进行优化设计，可以通过对方案的优化设计减小很大的材料成本。而且优化层次大体上可以分为：构件截面尺寸的优化、结构几何形状的优化、结构的拓扑优化、结构形式优化。本文只做到梁截面尺寸的优化，优化结果减小含钢量也不是很大，因此可以有进一步的优化设计从而减小含钢量。 结构优化其实最关键的限制就是时间和工作量过大，很多结构设计只是单纯的依靠经验保证结构整体刚度和稳定性，而涉及到抗震设计，其实刚度过大只会更加危险。因此结构优化设计不是单纯的减小用钢量，而是从根本上改善抗震设计。例如日本要求“耐震”，而我国要求的是“抗震”，这就可以明显的看出，我国过于重视刚性设计，轻视了柔性设计。要想从根本上解决地震产生的影响，就必须要进行柔性设计，因此优化设计除了节约成本的另一个作用就是通过柔性设计从而改善抗震性能。因此本文提出，希望今后的建设项目设计尤其是大型住宅设计，不只是单纯的稳定性设计，需要大量的力学计算和有限元分析，得到可行的最优方案。 
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参考文献(略)

本文编号：39001