钢筋混凝土框架结构限额设计的优化方法

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1、第2卷第4期V0l_2NO．42010年12月Dec．2010钢筋混凝土框架结构限额设计的优化方法范幸义白代春(重庆大学土木工程学院，重庆400045)【摘要】在保证结构安全的前提下，对结构进行限额设计，是目前建设单位对设计单位的要求。因而对设计提出了更高的标准。在限额设计的要求下，设计人员有两个趋向：一是设计尽量满足设计规范的下限，从而达到限额的目的；二是进行局部调整，试图达到限额设计的要求。而实际上，在限额设计的要求下，结构设计都存在一定的问题。本文寻求一种优化设计的方法来解决限额设计存在的问题。通过对传

2、统的结构优化设计方法和结构优化理论的分析与比较，本文引入面向对象技术机制，应用面向对象程序设计技术，运用类、对象、成员函数等概念将结构优化问题进行数据抽象处理。在此基础上，编制VisualC++程序对问题进行优化求解，并结合CAD接口技术将求解结果进行可视化处理。【关键词】限额设计；结构优化；面向对象；程序设计【中图分类号】TU318；TP311【文献标志码】A【文章编号】1674～7461(2010)04—0005—04所得到的结构设计方案通常不是最优设计方案。为1结构限额设计的概念克服传统框架结构设计结果

3、的不经济性，增强设计的实用性，国内外的有关专家学者将钢筋混凝土结构设建设方为了控制工程造价，降低工程的成本，计与优化设计相结合，即产生了结构的优化设计。在工程项目的设计阶段，要求设计单位的设计人员钢筋混凝土框架结构是应用较多的建筑结构在控制工程造价的前提下进行结构设计。也就是形式之一，因其空问和结构布置灵活，整体性和抗目前提出的所谓限额设计的要求。限额设计目前震性能好而被广泛应用。对框架进行优化设计，就有两种实施的要求：一种是要求工程的结构主体限是使结构在满足工程使用要求(承载能力和正常使制在一定的工程造价之

4、内；一种是限制结构的含钢用)和相关控制条件的情况下，使结构设计更为可量，也就是结构钢筋的用钢量。由于结构主体在设靠、经济、合理。例如，我们要追求材料的充分利计阶段图纸不完善，无法作出较为准确的工程造用、用料最省、造价最低、可靠性最高和追求结构的价，因而，建设方的限额设计要求多是含钢量问题。形状更合理等优化目标，就需要对结构进行优化设由于含钢量问题不是一个单纯的问题，涉及到结构计，寻求一个既安全又经济的设计方案。体系，混凝土强度，构件截面尺寸，构造要求等因传统的框架优化方法有两个不足：第一，对混素。因而就含钢量

5、限额设计问题就是一个很棘手凝土强度等级的设定不够合理。一般有两种方法，的问题。我们必须寻求一种优化设计的方法，尽量一是将混凝土强度等级设为常量，优化后整个框架达到结构限额设计的要求。的混凝土等级是相同的。对于多高层框架来说，这2钢筋混凝土框架结构传统优化设计及存种方法显然达不到最优解，甚至可能造成材料的浪费。另一种是将混凝土等级作为变量来进行设计，在的问题这样的方法不能保证在最后的优化设计结构中同传统的结构设计，尽管其设计满足规范的要求，层杆件的混凝土等级相同，这就很难施工，也不符但我们知道，规范是我们结构设

6、计的最低要求，由它合工程的实际要求。第二，传统的优化方法通常将【作者简介】范幸义(1950一)，男，副教授，副室主任。长期从事计算机应用、结构工程CAD软件开发、计算机图形技术和建筑结构工程技术研究。E—mai]：~xy1950@163．COn]6设计变量进行单一优化，如梁的截面，将b定为常≤(0．23bh。)；数，而只对h进行优化，或将h／b设为固定值，只对yRE其中一个进行优化。这种方法带有很大的经验性，vo≤(bh。+厶+o．056N)(5)在很大程度上影响最后的优化设计结果。n≤≤[n](63优化设计

7、数学模型的建立位移约束条件：对于一个钢筋混凝土框架结构，其优化设计就是在结构满足承载力要求的情况下，使得整个结构层间位移角限值[]≤丽1(框架结构)(7)造价最低。以梁高、柱宽为设计变量，并将混凝土层问位移△≤[0]．h(8)的强度等级嵌入到各级优化程序当中，计算各构件式中各字母含义见国家相关规范；内力后，再进行计算各构件满足承载力要求和各项构造约束条件：构造要求下的混凝土用量和钢筋用量(含钢量)。梁最小宽度：B“≥200ram，i=1，2，⋯，m；3．1目标函数梁高度：400≤Bm≤800，i=1，2，⋯，

8、m；设该框架中的梁、柱数目分别为m，凡，以整个梁最小配筋率：A≥／ZminB“，i=1，2，⋯，m；框架的造价最低建立如下的目标函数：柱最小截面：CH，C≥350√=1，2，⋯，／7,；MinM=∑[(Md++2(+柱最大配筋率：A≤0．05CkjCh,√=1，2，⋯，；柱最小配筋率：A≥o．006C杆=1，2，⋯，rt；月一2c6)z6+Ⅳm(B+2Hh)l]+∑[(Mdd+MrA)+2(+4优化