钢框架体系优化设计研究-结构工程专业论文.docxVIP

摘要 摘要 在多、高层钢结构中，钢框架体系(包括纯钢框架结构和钢框架一支撑结 构)是一种常见的结构体系，特别是在钢结构住宅中。如何准确、快速、经济、 合理地进行多、高层钢框架体系设计(即对多、高层钢框架体系进行优化设计)， 已经成为制约钢结构住宅发展的一个瓶颈。多、高层钢框架体系的优化设计是 一个既复杂而又综合的结构优化问题，因为它涉及到优化领域的多个方面：从 优化层次来分，包括截面尺寸优化和体系拓扑优化；从优化类型来分，包括单 目标优化和多目标优化；从优化算法来分，包括尺寸优化算法、拓扑优化算法、 单目标优化算法和多目标优化算法等。正是由于该优化问题的复杂性和综合性， 使得该问题的研究具有相当的难度。 本文首次从钢框架和支撑体系两方面系统研究了钢框架体系的优化设计。 首先，考虑到实际钢框架梁柱螺栓连接都是半刚性连接，而且半刚性连接 也体现了优化思想，所以研究了半刚性连接钢框架的静力优化设计。推导了考 虑连接柔性和几何非线性的局部坐标下的单元刚度矩阵，并对半刚性连接单元 的固端力进行了修正；给出了考虑连接非线性、框架的几何非线性和单元内力 与连接之间耦合效应的半刚性钢框架结构分析流程；结合工程实际提出了半刚 性钢框架的优化数学模型，并采用改进后的遗传算法对其进行优化设计：根据 算例分析了半刚性连接对钢框架力学性能及优化结果的影响，提出了一些有益 的建议。 其次，针对设计人员对抗震钢框架结构设计具有多个期望值的要求，探讨 了抗震钢框架的多目标优化设计。提出了一种求解复杂多约束多目标优化问题 的Pareto遗传算法，并给出了抗震钢框架多目标优化问题的数学模型；在此基础 上，通过两个抗震钢框架的优化设计实例对优化结果进行了讨论，并为工程设 计人员选择最终的妥协解提供了一个可行的指标参数。 接着，在上述钢框架静力和动力优化设计研究的前提下，探讨了支撑体系 的静力和动力连续型及离散型拓扑优化设计。 在支撑体系的静力和动力连续型拓扑优化研究中，引入了具有旋转自由度 的四边形膜元，并提出了设计区域平均厚度的概念和计算方???：在渐进结构优  摘要 化算法的基础上，建立了钢框架支撑体系静力和动力连续型拓扑优化的单元删 除准则(即灵敏度数计算公式)，分别给出相应的拓扑优化方法；并通过几个实 例分别探讨了钢框架支撑体系静力和动力连续型拓扑优化方法的可行性与有效 性。 在支撑体系的静力和动力离散型拓扑优化研究中，通过引入拓扑变量和弹 性模量变量，提出了一个受多工况荷载作用，能同时考虑应力、稳定及位移等 约束，既适用于桁架结构也适用于刚架结构的离散型拓扑优化问题统一数学模 型，并结合遗传算法(包括单目标遗传算法和Pareto多目标遗传算法)给出了相 应的拓扑优化步骤；此外，为了求解大型多变量复杂离散型拓扑优化问题，结 合遗传算法和渐进结构优化算法提出了一种有效的复合算法；在上述算法的基 础上，按照不同的优化思路，分别研究了支撑体系的静力和动力离散型拓扑优 化设计。 最后，总结全文并对下一步研究工作进行了展望。 关键词：钢框架，支撑体系，半刚性，优化设计，多目标优化，连续型拓扑优 化，离散型拓扑优化，遗传算法，渐进结构优化  Abstract ABSTRACT Steel frame systems including steel frames with and without bracing systems are common structural systems used in multistory and high-rise steel buildings，especially in steel structure dwelling houses．How to design the steel frame systems quickly, economically and reasonably(i．e．，how to optimal design the steel frame systems)has become a bottleneck problem for the development of steel structure dwelling houses． Optimal design of multistory and high—rise steel flame systems is a complex and synthetic structure optimization problem，for it involves many aspects in the field of optimization．Viewed from optimization level，it includes size optimization