多種截面桿件的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

【摘要】高層建筑抗風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，其中尺寸優(yōu)化研究較為成熟，其研究成果被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。結(jié)構(gòu)抗風(fēng)尺寸優(yōu)化[1]的其實(shí)是在滿足結(jié)構(gòu)各類安全指標(biāo)要求的前提下，通過改變桿件尺寸使目標(biāo)函數(shù)最小化的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對于已往的研究，僅僅對單一材料桿件且桿件截面類型相對較少的模型展開研究，但實(shí)際上，超高層建筑通常涉及到的桿件截面類型往往較多，包括鋼管混凝土、箱型截面、工字型截面等在實(shí)際超高層建筑結(jié)構(gòu)中常用的。因此，本文考慮對多種截面桿件的結(jié)構(gòu)的研究非常有必要，將有利于實(shí)際工程抗風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】超高層；尺寸優(yōu)化；理想模型；桿件截面

在文獻(xiàn)[2]中，推導(dǎo)并驗(yàn)證了圓鋼管混凝土截面、箱型截面、工字型截面的位移函數(shù)?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）[3]對在風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)位移作了相應(yīng)的限制要求， 頂層水平位移與建筑高度之比限值為1/550，層間位移與層高之比限值為1/550。本章以一個21層三維框架結(jié)構(gòu)為例子，見圖1（a）、（b）包含圓鋼管混凝土柱、矩形截面梁、箱型截面梁、工字型截面梁采用OC[4-6]法來進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1、案例分析

一個21層框架結(jié)構(gòu)包含圓鋼管混凝土柱、矩形截面梁、箱形截面梁，工字形截面梁開展建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)優(yōu)化研究。圖2-2給出了優(yōu)化的有限元模型，建筑總高為69.3米，層高為3.3米，X和Y方向跨度均為6米，桿件布置具體見表2，材料為鋼材和混凝土兩種材料組成的圓鋼管混凝土截面，其中混凝土強(qiáng)度為C50，鋼材強(qiáng)度為Q345；梁為混凝土矩形截面，材料采用C50混凝土。風(fēng)荷載計(jì)算見表1

2、本章小結(jié)

基于推導(dǎo)的公式[1]，針對一含有多種截面梁的21層框架結(jié)構(gòu)以位移、層間位移作為約束條件進(jìn)行了的抗風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，滿足條件，并得出結(jié)論：1）圖1（j）以位移為約束能有效控制結(jié)構(gòu)的位移，圖（k）層間位移達(dá)到限值2）在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，層間位移約束起主導(dǎo)作用3）圖1（i）優(yōu)化后的鋼管等截面變大，導(dǎo)致總造價(jià)增大，符合實(shí)際要求。4）其他變量根據(jù)圖1（c）、（d）、（e）、（f）、（g）、（h）全部收斂，滿足OC法[4-6]

參考文獻(xiàn)：

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[2]徐安，賀美花，陽露，等.帶有鋼管混凝土柱的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[J].建筑科學(xué)，2015，31（11）：8-15.

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[5]Chan C M. How to optimize tall steel building frameworks. Guide to structural optimization [M]. Reston： ASCE，1997.

[6] Huang M F， Chan C M， Lou W J. Optimal performance-based design of wind sensitive tall buildings considering uncertainties [J]. Computers & Structures，2012（98）：7-16.

作者簡介：

楊雷（1990-），男，碩士研究生，籍貫：上海，廣州大學(xué)，研究方向：超高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。