基于ANSYS的钢框架结构优化设计研究分析.pdf

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1、基于ANSYS的钢框架结构优化设计研究分析刘伟侯永平吉林建筑大学土木工程学院摘要：本文概述了多层民用钢框架结构优化设计国内外发展现状，表明了对其进行优化设计的必要性，提出了通过ANSYS对单榀框架进行优化分析，声明设计变量，建立优化数学模型，优化后得到了很好的经济效果，为我国大力推广多层钢框架结构体系提供依据，为今后的设计工作提供参考。关键词：多层钢框架结构；ANSYS；优化设计；数学模型1引言方法。与传统优化设计方法不同，他是建立在理论分析基础钢结构住宅体系已成为当前住宅结构研究中的热点，而之上的科学技术，并且有它自己的规则和要求【41叫”。钢框架结构体系在

2、多层钢结构住宅中应用最为广泛，虽然钢声明优化变量结构在我国民用建筑中，得到了广泛的运用，但是还存在一目标函数：单榀框架用钢量定的缺陷，钢材用量大钢材价格居高不下，使得钢结构应用设计变量：柱子截面共三种类型，梁截面两种类型，均为存在一定的限制，对钢框架结构进行优化设计，在保证结构宽翼缘日型钢。其中0．2m≤胙B≤O．6m；0．006m≤邢毽0．015m；安全可靠地同时，减少钢材的用量降低工程造价，是当前建O．01m≤删．025m；其中B为钢截面高度，日为钢截面宽度，筑行业必须面对与亟需解决的问题。邝7为腹板厚度，卯为翼缘厚度。2钢框架结构优化设计的研究现状状态变

3、量：考虑荷载的最不利组合，使其满足强度、刚目前，钢框架结构体系在低多层钢结构住宅中应用最为度、整体稳定、局部稳定等规范规定的约束条件。广泛。因此对钢框架结构进行优化设计研究对推动住宅建设①梁的抗弯强度儿：0≤F挺215×106N，m2产业化发展具有突出的意义。②梁的抗剪强度VF：O≤VF<_125x106N／m2与传统的优化设计方法不同，现代结构优化设计方法是③梁的折算应力z儿：O鲤儿≤236×106N／m2建立在理论分析基础之上的科学技术。它将结构分析、计算④梁的局部稳定设计R：0<-_R一<13力学、数学规划法、计算机科学和数值计算技术等科学融于挠度：跨度

4、6．6m梁。囟≤6．6／400=0．0165m；一体，借助于科学的计算方法和工具，自动完成设计方案或跨度6．3m梁0≤-w<6．3／400=0．01575m者模型的修改过程川。现代结构优化设计一般是建立在有限⑤钢框架柱的抗弯强度设计值fz：o≤Fz≤215×106N／m2元法的基础之上，它是目前工程结构优化设计非常强大的分⑥钢框架柱的刚度(长细L北B)：噼留≤150析、计算工具，市面上用的比较多的优化设计软件如ANSYS⑦钢框架柱顶水平位移D：0<-_D≤13．51500=0．027m或ABAQUES等，都可以完成结构的优化设计分析4。钢框架2-4层间相对水平

5、位移最大值Dl：0≤Dl≤3／400=0．0075m结构优化设计的方法很多，但基于ANSYS的结构优化设计研一层间相对水平位移D2：0≤毛D2≤4．5／400=0．0112m究不是很多，特别在多层钢框架结构整体模型方面。近年来⑧柱截面平面内稳定的最大应力：0<-．．Fl一<215x10SN／m2很多学者在现有的优化算法的基础之上，对软件进行二次开⑨柱截面平面外稳定的最大应力：0<-．．F2一<215xl&N／m2发应用在钢框架结构设计中，得到了很好的效果，另改进的3ANSYS优化算例优化算法应用在钢框架结构优化设计中，比如：改进的遗传本文采用四层两跨钢框架结构

6、，地震设防烈度6度，结构算法、改进的混合算法、改进的TLBO算法等四。的计算模型和受力图如下图所示。梁、柱日型钢材质均为3有限元数学模型的建立Q235；泊松比=o．3，弹性模量为E=2．1x105MPa，该地基本风压有限元软件ANSYS的结构优化是以有限元法作为力学和基本雪压均为0．45kN／m2,各楼层活荷载标准值为2．0kN／m2，分析和灵敏度计算方法来实现的，并且提供了多种数学优化活荷载标准值为1．5kN／m2。1522016．03一t—i上图1结构的计算模型图2结构的受力简图表1优化前后构件截面对比簸蕊尺寸。伐纯前我纯螽(茸

7、薅)。《强搬驴舄l#250

8、寸22i泔jf镇?1‘let、90072：尊l。i2#S，?寒娶l一嚣2≯240p，{，圭芎p{‘警F2pSo巷．49叠8{)强2tl秘蓉．284l‘B兰o20目良jl辨．5SF芋W3pSoS．≥S63栌{擎3pI&，S，SS7譬{)姆2S@229．650彳帑诲妒lO叫i舀～皋嚣西。{芋肆≯12≯l爵，7毒缸，B5#208#三i0、?S#TWSo8≯矗、?9560孬5，10--9一游53矿蒸量(麟)#53．辩39．雌毒栌。话耋罩造价￡您龙声0．3耄舻由表1可以看出。在满足强度、刚度、安全性、稳定性等要求的前提下，通过优化单榀框架的重量降低14．46kN，节约了

9、工程造价约0．38万元，得到了很好的经