多高層建筑上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

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摘要：本文總結(jié)了多高層建筑的上部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)所涉及的整體策略優(yōu)化、結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化、結(jié)構(gòu)整體性優(yōu)化和設(shè)計(jì)模型的優(yōu)化處理方法，就某十二層多高層建筑優(yōu)化處理實(shí)例分析闡述優(yōu)化設(shè)計(jì)所能實(shí)現(xiàn)的效果。 

關(guān)鍵詞：多高層建筑；上部結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；方法研究  abstract：this paper summarizes the many tall buildings’ upper optimization design involves the overall strategy optimization, system optimization, structure optimization and design model to optimize processing method, a twelve layer of high-rise building optimization processing examples analysis optimization design can achieve the effect of.  key words：many tall buildings; upper structure; optimization design; method research  引言  多高層建筑大量的建設(shè)需求使得對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)一直都是結(jié)構(gòu)領(lǐng)域探討研究的重點(diǎn)課題之一。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論研究已經(jīng)經(jīng)歷了較長(zhǎng)的發(fā)展歷史，也取得了眾多的優(yōu)化實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但是仍缺乏系統(tǒng)性和全面性，相對(duì)來(lái)講對(duì)程序設(shè)計(jì)模型優(yōu)化等還十分匱乏。多高層建筑從設(shè)計(jì)策略上就要實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，繼而從多類型的結(jié)構(gòu)體系選擇進(jìn)行荷載抗力優(yōu)化處理，接著從整體性角度提高結(jié)構(gòu)性能，通過(guò)結(jié)構(gòu)體系和算法手段，實(shí)際操作表明優(yōu)化效果明顯。  上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略的優(yōu)化  數(shù)學(xué)計(jì)算優(yōu)化方法是基于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題特點(diǎn)而建立發(fā)展起來(lái)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的算法優(yōu)化設(shè)計(jì)，較為先進(jìn)的有最優(yōu)準(zhǔn)則法和遺傳算法。最優(yōu)準(zhǔn)則法是起步較早的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法之一，其以預(yù)先規(guī)定好一組優(yōu)化設(shè)計(jì)需要滿則的準(zhǔn)則為基本出發(fā)點(diǎn)，繼而依據(jù)這些準(zhǔn)則來(lái)建立實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)迭代公式進(jìn)行計(jì)算。通常依據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，使用相關(guān)的理論研究、分析和判斷，繼而得出迭代算法，較為適用于連續(xù)變量情況近似的工程優(yōu)化方法。遺傳算法發(fā)展史較短，其為近些年來(lái)新興啟發(fā)式算法之一，基于生物進(jìn)化學(xué)說(shuō)的自然遺傳機(jī)制優(yōu)化的算法。遺傳算法將結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)樯锏倪M(jìn)化過(guò)程，使用優(yōu)勝劣汰機(jī)制以取得優(yōu)化處理后的最優(yōu)解，其操作參數(shù)的 編碼，而非參數(shù)自身。遺傳算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略的優(yōu)勢(shì)在于其操作眾多的起始點(diǎn)，并非單一點(diǎn)，有效地避免了搜索進(jìn)程向局部的最優(yōu)解收斂，同時(shí)期使用的概率轉(zhuǎn)變規(guī)則避免了確定性規(guī)則的單一性，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)用。  結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)  多高層建筑結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)足夠的豎向荷載及水平荷載抵抗能力，使其具備良好的變形性能、耗能減震能力和抗震承載能力。  3.1 傳力路徑明晰化處理  多高層建筑的結(jié)構(gòu)體系需要保證傳力途徑的明晰化，使得作用于結(jié)構(gòu)上部的水平和豎向荷載可以直接傳向基礎(chǔ)，避開(kāi)出現(xiàn)傳力迂回的情況。優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系時(shí)要盡量形成較為正確簡(jiǎn)單的計(jì)算簡(jiǎn)圖，降低實(shí)際情況同計(jì)算模型之間的差異。在進(jìn)行傳力路徑處理過(guò)程中保證概念設(shè)計(jì)最優(yōu)化，尤其是有錯(cuò)層、轉(zhuǎn)換層和大底盤(pán)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系形式中其作用更為突出。  3.2 多道設(shè)防措施的采用  最新修訂的抗震規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)體系多道設(shè)防機(jī)制形成要求更為嚴(yán)格，通常使用合理處置承載力的分布、結(jié)構(gòu)剛度與構(gòu)件之間強(qiáng)弱的關(guān)系，利用第一道防線破壞來(lái)消耗地震能量的方式，改變整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，實(shí)現(xiàn)減小地震作用的目標(biāo)。大量的多高層建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于純框架的結(jié)構(gòu)體系，加設(shè)鋼或者鋼筋混凝土的柱間支撐，使用支撐屈曲作用來(lái)耗能，更能優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗震性能，最大限度的發(fā)揮第一道防線對(duì)框架柱保護(hù)能力。對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)連梁的屈曲和開(kāi)裂來(lái)消耗地震能量以保護(hù)墻體。第一道設(shè)防能力發(fā)揮的前提是保證連梁抗剪性能相對(duì)值，確保強(qiáng)剪弱彎，或設(shè)置雙連梁以提高抗震效果。  3.3 強(qiáng)柱弱梁全面實(shí)現(xiàn)  作為結(jié)構(gòu)延性措施保障之一的強(qiáng)柱弱梁，其保證就算塑性鉸在梁端出現(xiàn)，形成了梁鉸機(jī)制，避免柱子斷裂，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。高層設(shè)計(jì)規(guī)范和抗震規(guī)范都要求梁端的彎矩設(shè)計(jì)值比柱端的彎矩設(shè)計(jì)值要小來(lái)實(shí)現(xiàn)這一性能要求，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)同樣遵從這一設(shè)計(jì)指標(biāo)，按照具體的抗震等級(jí)，保證新規(guī)范抗震調(diào)整系數(shù)情況下的具體公式要求。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，因?yàn)榭紤]到現(xiàn)澆樓板能夠參與到梁受力體系之中，所以適當(dāng)對(duì)梁抗彎剛度擴(kuò)大1.5倍到2倍，梁支座配筋率高和板上實(shí)際配筋問(wèn)題造成梁實(shí)際的剛度較計(jì)算值往往偏大，實(shí)際的梁端承載力較梁端彎矩要大。  結(jié)構(gòu)整體性優(yōu)化設(shè)計(jì)  由于結(jié)構(gòu)空間的整體剛度大小直接的關(guān)乎著結(jié)構(gòu)抗震能力強(qiáng)弱，結(jié)構(gòu)整體性保證了結(jié)構(gòu)各個(gè)體系和構(gòu)件之間能夠共同工作。樓蓋的剛性處理對(duì)于結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能的提高效果非常明顯，保證樓蓋承受豎向荷載能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)其在水平方向上的支撐能力。對(duì)于豎向抗側(cè)力不均勻的結(jié)構(gòu)布置或者各個(gè)抗側(cè)力構(gòu)件的水平位移不同時(shí)發(fā)生的情況，樓蓋體系的抗側(cè)力保證性能協(xié)同作用尤為重要。通過(guò)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件同結(jié)構(gòu)主體間的連接作用同樣具有良好的結(jié)構(gòu)整體性提高性能，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要加強(qiáng)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件同主體結(jié)構(gòu)的連接部位預(yù)埋件和錨固件的設(shè)計(jì)，保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件附加地震作用合理傳向主體結(jié)構(gòu)。  設(shè)計(jì)計(jì)算模型優(yōu)化處理  5.1 設(shè)計(jì)計(jì)算變量選擇  合理選擇變量時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題處理最基本的問(wèn)題，對(duì)于不同界面變量采用不同的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同優(yōu)化模型及優(yōu)化算法操作的簡(jiǎn)化。矩形混凝土梁要選取梁寬b和梁高h(yuǎn)最為優(yōu)化的變量，出現(xiàn)不滿足約束條件的時(shí)候，增加h大小直到滿足要求，但是如果h/b大于3就要同時(shí)增加b，使得h/b小于3，優(yōu)化截面。圓形和矩形混凝土柱要選擇彎矩平面垂直面的柱寬b，此時(shí)柱截面高度h取аb，其中а參照建筑的布局和規(guī)范取值。  5.2 局部約束優(yōu)化處理  局部的優(yōu)化對(duì)于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)意義重大，合理控制各個(gè)局部性能就能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的綜合性能，主要的優(yōu)化處理集中于構(gòu)造的約束和強(qiáng)度條件的約束?；炷林膬?yōu)化約束需要著重考慮堆成配筋優(yōu)化，大偏心受壓和小偏心受壓公式計(jì)算完成后考慮受剪強(qiáng)度條件和梁的約束條件，進(jìn)行配筋率約束，繼而控制軸壓比和整體綜合性能。  結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)處理效果分析  6.1 工程概況  圖1 某十二層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面布置圖  某十二層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面布置圖如上圖1所示，應(yīng)用本文所總結(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法對(duì)其整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。建筑物總體高度39.9m，底層層高3.6m，其余層層高3.3m，全部使用c30混凝土，樓面恒荷載取5 kn/m2、活荷載5 kn/m2，梁上荷載取20 kn/m2，基本風(fēng)壓為0.55 kn/m2，地面粗糙程度為c級(jí)，場(chǎng)地土類別為ⅱ類，地震分組為第一組，加速度取0.1g，結(jié)構(gòu)阻尼比0.05。  6.2 采用優(yōu)化措施的設(shè)計(jì)效果  下表1 所列為使用了本文所闡述的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法完成本結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)后底層柱內(nèi)力結(jié)果，數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)柱端軸力和柱端彎矩明顯有所降低，適當(dāng)?shù)某艘愿挥谙禂?shù)即可在滿足結(jié)構(gòu)安全性的前提下實(shí)現(xiàn)該多高層建筑的經(jīng)濟(jì)效益。  表1 底層柱的內(nèi)力結(jié)果    結(jié)語(yǔ)  隨著建筑體量的不斷擴(kuò)大，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)采取合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸成為研究重點(diǎn)。從工程實(shí)踐情況表明，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是從結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)計(jì)算方法入手。結(jié)構(gòu)體系上優(yōu)化就是要使多高層建筑的結(jié)構(gòu)體系需要保證傳力途徑的明晰化，使得作用于結(jié)構(gòu)上部的水平和豎向荷載可以直接傳向基礎(chǔ)，從多類型的結(jié)構(gòu)體系選擇進(jìn)行荷載抗力優(yōu)化處理，接著從整體性角度提高結(jié)構(gòu)性能，通過(guò)結(jié)構(gòu)體系和算法手段，實(shí)際操作表明優(yōu)化效果明顯。而結(jié)構(gòu)計(jì)算方法優(yōu)化就是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取有效的數(shù)學(xué)計(jì)算優(yōu)化方法，運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的算法優(yōu)化設(shè)計(jì)，如較為先進(jìn)的有最優(yōu)準(zhǔn)則法和遺傳算法。  參考文獻(xiàn)：  [1] 沈汝偉．對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討[j]．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，28（12）：118~119．  [2] 何飛平．淺析建筑工程中建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[j]．知識(shí)經(jīng)濟(jì)，2009，27（11）：31~33．  [3] 侯貫澤，劉樹(shù)堂，簡(jiǎn)國(guó)威．工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法[j]．鋼結(jié)構(gòu)，2009，31（08）：57~58．  注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以pdf形式查看。