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工程结构两层面承载能力设计与优化 杨绿峰1’2，张伟1，余波1 (1广西大学土木建筑工程学院，工程防灾与结构安全教育部重点实验室，南宁，530004；2．广西壮族自治区住房和城乡建设厅，南宁，530028) 摘要：针对现行结构承载能力设计与优化中存在的不足，提出了工程结构两层面承载能力设计与优化方法。该方法首 先基于弹性模量缩减法(EMRM)分析结构的失效演化和极限承载力，并依据EMRM迭代分析的首步和末步结果分别 计算构件和整体安全系数，从而建立结构整体与构件安全系数之间的定量关系；然后根据弹性模量缩减法的线弹性迭 代分析过程，模拟构件损伤和结构失效演化过程，并建立高承载和低承载构件的识别准则，通过有策略地调整高承载 构件的截面强度保证结构在构件和整体两个层西上都具有合理的承载能力和安全性；进而建立目标构件的识别原则和 优化调整策略，通过有策略地调整高承载和低承载构件的截面强度，获得承载性能和材料消耗均较优的结构设计优化 方案。 关键词：两层面；承载能力：设计：优化：弹性摸量缩减法 l 引言 承载安全性是工程结构设计的核心内容之一。然而，水利、建筑和交通等领域工程事故时有发生， 造成巨大的人员伤亡和财产损失，带来极其负面的社会影响。这些工程事故中相当一部分表现为结构 发生整体倒塌、违背设计原则的失效或局部破坏等与承载能力相关的安全问题。由此可见，现行工程 结构承载能力设计中仍然存在不足之处，亟待研究与改进。 工程事故分析表明，传统承载能力设计方法存在两大主要问题：一是由于构件承载能力与整体承 载能力之间缺乏定量关系，导致难以根据构件承载能力来定量设计结构整体承载能力；二是由于未充 分考虑结构内力重分布和失效演化，难以保证结构失效模式符合规范要求。因此，现行承载安全性设 计理论和方法尚存在以下关键技术问题有待进一步研究：建立高效的结构整体承载能力分析方法；提 出通过构件承载能力定量设计结构构件和整体两层面承载能力的设计方法；提出与设计过程相融合的 结构优化方法。 2结构整体承载能力分析方法 整体安全性是工程结构的基本性能要求，而整体承载能力分析是保证工程结构整体安全性的关键。 分析表明，现行工程结构承载能力设计在保证整体安全上存在的不足，其根本原因在于缺少构件承载 能力与整体承载能力之间的定量关系。鉴于此，课题组提出了工程结构整体承载能力分析的弹性模量 缩减法(EMRM)11-51，并从工程角度提出了可应用于恒荷载效应显著结构【6l、多种截面类型结构【7】、 抗震结构【8】、受随机因素影响结构【9’10J和含缺陷结构的弹性模量缩减法【111，并己应用于水电站压力钢管 等结构的承载能力分析,gtJH6I，进而提出了基于两层面承载安全性的工程结构设计方法Il7181，解决了 结构承载能力设计中存在的不足，并在实际工程中得到成功应用。 2．1 整体承载能力分析的弹性模量缩减法 2．1．1整体承载能力分析方法现状 当前结构整体承载能力分析方法主要有三类：弹塑性增量加载法、增量变刚度法和塑性极限分析 法，其中塑性限分析法可跳过加载过程分析，并利用极限分析界限定理直接计算结构整体承载能力， 简便高效，具有较高的计算精度，得到学术界和工程界的重视。该类方法主要包括数学规划法和弹性 模量调整法。弹性模量调整法通过有策略地调整单元的弹性模量来确定结构的整体承载能力，计算理 论简便，既能克服数学规划法存在的维数障碍问题，而且比弹塑性增量加载法具有更好的计算精度、 效率和稳定性，最近20年在国际学术界和工程界受到广泛重视，已经引入美国、欧盟等国家和地区的 锅炉、压力容器和管道等工程结构的设计规范中。然而，尽管国际上已经发展了多种弹性模量调整方 法，包括减低弹性模量法、弹性补偿法、修正弹性补偿法、IllB乘子法等，但这些方法通常以单元等效 应力作为控制参数，导致有限元模型中离散网格过分细密，离散自由度多，计算量大；另一方面，弹 性模量调整法主要根据工程经验选取调整因子，造成迭代收敛慢、计算精度难以保证等问题。因而， 现有弹性模量调整法难以有效应用于体型庞大、通常由多种材料和不同类型构件组成的水利、土木、 交通等工程结构的整体承载能力分析中。 针对水利、土木、交通等领域工程结构的特点，课题组建立了复杂工程结构失效演化和整体承载 力分析的弹性模量缩减法(EMRM)[1-3l。该方法通过线弹性迭代分析方法，有策略地缩减高承载单元 的弹性模量，使结构发生内力重分布，可以清晰模拟结构在外荷载作用下发生的变形、损伤和失效演 化过程，进而得到结构的整体承载能力。