空间钢筋混凝土框架结构离散变量优化设计方法-研究

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1、上海大学硕士学位论文1．1选题背景㈣2】[31第一章绪论建筑是社会生产和人类生活需求的产物，是现代工业化、商业化和城市化的必然结果。人类的建筑活动，从穴居、巢居到现在的摩天大楼，经历了漫长的发展历程。无论古代人还是现代人，营造建筑的目的都是为了满足人们物质生产和文化生活的需要。建筑物的功能要求随着社会生产力的发展和人类物质文化生活水平的提高而不断提高和日益复杂化，建筑结构技术也在历史进程中不断进步和发展。框架结构是采用梁柱等杆件刚接组成空间体系作为建筑物承重骨架的结构。它的特点是承受竖向荷载的能力强，承受水平荷

2、载(如风荷载、地震作用)的能力弱。框架结构的侧向刚度较小，属柔性体系，因而其高度受到限制。框架结构是多层房屋的常用结构形式，多层框架结构广泛应用于办公楼、旅馆、住宅、厂房、仓库等民用和工业建筑中。钢筋混凝土框架结构是我国各类型建筑中使用最普遍的结构形式之一。同钢结构相比，钢筋混凝土结构具有造价低，防火性能好，刚度大，可减少侧向位移的特点，使其应用非常广泛。而框架结构因其具有下列优点，使其应用范围日益扩大。(1)结构平面布置灵活，可做成较大空间的会议室、餐厅、车间、营业厅、教室等。即可用隔断分割成小房间，又可拆除

3、隔断改成大房间，因而使用非常灵活。(2)外墙用非承重构件，可使建筑立面设计灵活多变；采用轻质隔断和外墙可大大降低房屋自重，节约材料。(3)构件类型少，易于采用标准化、定型化施工，加快建设速度。既可采用预制构件，也可采用定型模板而成现浇结构。综上所述，结合二者优点的钢筋混凝土结构已成为建筑的主要结构形式。钢筋混凝土框架结构在我国未来建筑中仍将保持良好的发展前景。这主要是基于下列原因：首先，随着粘土砖被停用，钢材价格的居高不下，使得钢筋混凝土框架结构的经济性和实用性仍将在相当长时期内保持优势；其次，为节省占地面积，

4、节约市政工程费用，节省拆迁费用，改善城市居民的生活条件，城市建筑的中、高层化仍是我国城市建筑的必然趋势。而钢筋混凝土框架结构对中、高层上海大学硕士学位论文建筑有良好的适应性。在我国，建筑高度15～20层以下的建筑物，大多采用钢筋混凝土框架结构，其中在北京已建成的高18层、局部22层的现浇框架结构——长城饭店，是我国地震区高层框架结构的代表。它采用了延性框架设计方法，并采用轻钢龙骨石膏板作隔断墙，外墙采用玻璃幕墙；当有变形良好的轻质隔断及外墙材料与抗横向荷载结构相结合时，钢筋混凝土框架可建到30层左右。再者，随着

5、经济的发展，综合性多功能大厦、底层带酒店、带车库的框架结构建筑会越来越多，这必将会提高钢筋混凝土框架结构的使用率。因此，对钢筋混凝土框架的研究和探索一直是工程界重视的领域之一。对于复杂的空间结构，传统的设计过程预先进行概念设计，然后进行结构分析、设计演化及构件尺寸调整。在结构布局及荷载确定以后的重点工作主要是进行不断的分析及重新设计。由于现代建筑结构复杂，杆件众多，调整并使得满足各种约束条件变得尤为重要，建立在经验统计基础上的传统设计方法大都是保守的、偏于安全的，没有充分发挥材料的性能，造成了很大的浪费。结构优

6、化设计是运用相关软件通过计算机计算来完成建筑的结构设计的方法。其研究内容是把数学规划理论与力学分析方法结合起来，以计算机为工具，建立一套科学的、系统的、可靠而又高效的方法和软件，自动地改进和优化受各种条件限制的承载结构设计。1．2结构优化设计的发展历程‘1】151161框架结构是由梁、柱、桁架等基本构件组成的，优化理论的研究是以这些基本构件为内容的，对它们的研究贯穿着结构优化的发展历程。远在古代，人们在工程实践中已萌生“优选”的思想，结构形式由梁演变到桁架、拱就是人们在探索与寻求重量轻、材料省、受力好的合理结构

7、形式中长期经验的总结。这种朴素的优化思想一直延续到19世纪，1869年由Maxwell及1900年由Cilley等提出同时破坏设计，1904年Michell又提出最小体积桁架的设计问题，是优化思想应用于土建结构设计有了一定的理论依据，这些方法形成了结构设计的优化准则，尽管没有在数学上得到严格的证明，但在指导人们进行结构设计方面起到了很好的作用。这一阶段优化设计的思想主要解决的工作有：高度理想化框架的最小重量布局，基于强度分析或结构指标等方法的结构元件优化设2上海大学硕士学位论文计，基于塑性破坏或极限分析设计原理

8、的简单结构体系最轻设计。在50年代末，优化方法中的数学规划法被首次用于结构最优化并获得巨大成功，成为优化方法的理论基础。1960年，Schmit首先给出了用数学规划方法求解多种载荷情况下弹性结构设计的数学表达，开始了现代结构优化的新时代。在这样的表达式中，结构优化设计成为在诸如应力、位移、频率等性态函数约束下设计变量空间中目标函数的数学极值问题，由数学规划方法来实现极值的搜索。结构优化