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1、结构优化方法研究综述结构优化方法研究综述【摘要】建筑结构优化对建筑整体的稳定性、可靠性、耐久性 有非常重要的作用。文章针对建筑结构优化设计的主要因素， 以及结 构优化的方法等方面做简要的分析，以提高建筑结构的整体的稳定 性、耐久性等性能。【关键词】结构设计；结构优化；结构类型0引言建筑结构优化，即在一些建筑结构的设计方案中选取最优的或最 适宜的设计方案，它参照数学中的模型最优化原理应用到建筑工程结 构设计方案的优化比选中。研究发现，建筑结构在使用过程中是否稳 定、耐久、合理等，主要决定于在建筑结构设计时选定的结构类型是 否最优、是否最符合工程结构的需要。对于同一座建筑工程项目，不 同的结构设计
2、师知识储备不同，因此可能会设计出不同的结构类型、 结构体系，但经过结构方案的优化、从而选取最优化的结构类型，提 高建筑结构的使用寿命、稳定性能。1建筑结构优化的主要因素1.1 荷载设计研究发现，任何一座建筑结构都需要受到水平力和竖向荷载的作 用，同时建筑还要承受较大的风荷载、地震力的作用等。当建筑结构 的整体高度比较低时，由结构本身的重力引起的竖向荷载对结构的作 用比较明显，而水平荷载作用在结构上，产生的内力和位移比较小， 往往在计算时不考虑水平荷载的作用； 若在较高层建筑设计中，虽然 所受到的竖向荷载仍对结构产生较大程度的影响，但水平荷载对建筑 结构本身的影响比竖向荷载产生的影响更加强烈。研
3、究表明，随着建筑结构整体高度的逐渐增加，水平荷载对建筑结构产生的影响越将会 越来越大，因此，在建筑结构高度较高时，结构所承受的水平荷载对 结构的影响则不可忽视。1.2 选取结构类型较轻的在建筑结构优化过程中，要尽量选取结构体较轻的。在现代结构 优化设计中，设计人员越来越重视选用轻质高强材料，从而做大程度 上减轻整体结构的自重。由于在多层建筑结构中，水平荷载对结构产 生的影响处于较次要地位，结构所承受的主要荷载是竖向荷载。由于 多层建筑楼层较少，整体高度相对比较低，结构自重相对来说较轻， 对材料的强度要求不是特高。但随着建筑结构高度的增加，在较多的楼层作用下，结构产生的 自重荷载则会比较大，使得
4、建筑结构对基础产生较大的竖向荷载， 同 时在水平荷载的作用下，结构的竖向构件（柱）中会产生较大的水平 剪力和附加轴力。为了使得结构满足刚度和强度的要求， 通常采取加 大结构构件的截面尺寸，但是加大构件的截面尺寸会使得结构的整体 自重增加。因此在高层建筑结构首先应该考虑如何减轻结构的自重。研究表明，当在高层或超高层建筑结构优化设计时，选用结构强 度高、自重较轻的钢结构、高强混凝土结构可以很大程度上减小建筑 结构的自重。1.3 侧向位移据相关资料表明，建筑结构的侧向位移随着建筑高度的增加而逐 渐增大，因此，在建筑结构的优化设计中，对层数较少、高度较低的 结构，可以不考虑其侧向位移对结构的影响。 但
5、随建筑结构高度的增 加，整体结构的侧移对结构产生的影响则不可忽视。研究表明，由于水平荷载对结构作用产生的侧移随着建筑高度的 增加而逐渐增大，且侧移量与结构高度成一定的关系。在进行高层建筑结构优化设计时，既需要充分考虑建筑结构整体 是否具有足够的承载能力，能否承受风荷载的冲击作用，又要求结构 具有足够的抗侧移性能，当建筑结构受到较大的水平力作用下， 其可 以很好地控制产生过大的侧移量，确保结构整体的稳定性能。与低层或多层建筑相比，高层建筑结构的刚度稍微差一些， 在发 生地震灾害时，结构的侧向变形更大。为了确保高层建筑结构在进入 塑性阶段后，结构整体仍具有较强的抗侧移性能，保持结构的稳定性， 则需
6、要在高层建筑结构的构造上采取合适的措施，确保结构具有足够的延性，从而满足结构的刚度要求。2建筑优化方法综述2.1 基本假设(1)弹性体假设目前，对建筑结构进行工程分析时，均采用弹性的分析方法。当 结构受到风荷载或竖向荷载时，假设结构处于弹性工作状态，符合建 筑结构的实际受力状态。但是当受到地震灾害或台风袭击时， 结构产 生较大的侧向位移，更甚出现裂缝，使得结构进入到塑性阶段，此时 不可以再用弹性变形计算，应采用弹塑性理论进行分析。(2)小变形假设小变形假设普遍应用于结构变形分析中。 但当结构顶点的水平位 移与结构的高度比值大于0.002时，就不可以忽略PA效应对结构 的影响了。(3)刚性楼板假
7、设在高层建筑结构分析时，假设楼板的自身平面内刚度无限大， 而 自身平面外的刚度则忽略不进行计算。 采用这一假设，在很大程度上 减少了高层建筑结构位移的自由度， 减小了计算的难度，并为筒体结 构采用空间薄壁杆的计算理论提供了保障。 研究发现，刚性楼板假设 一般适用于框架结构体系和剪力墙结构体系中。2.2 结构优化方法(1)并行算法由于高层建筑结构的主要因素是结构的抵抗水平力的性能。因 此，抗侧移性能的强弱成为高层建筑结构设计的关键因素，且是衡量建筑结构安全性、稳定性能的标准。由于在建筑结构中，单位建筑结构面积的结构材料中，用于承担 重力荷载的结构材料用量与房屋的层数近似成正比例线性关系。此 外，
8、用于建筑结构楼顶的结构材料用量几乎是定值，不随结构的层数 变化；但是用于墙、柱等结构构件的材料用量随楼房的层数成线性正 比例增加；而对于抵抗侧向移动的结构材料用量， 与楼房结构层数的 二次方的关系增长。图3-1表示在风荷载作用下的5跨钢框架结构， 不同的结构层数结构材料各个构件用量。研究表明，楼房结构所采用的结构体系是否具有较好的抗侧力性能，在很大程度上影响结构材料的用量，综合考虑各方面的条件，通 过精心设计确定结构的最优化设计方案，使结构体系的材料用量降低 到最小程度。从上图中的虚线以上阴影部分就是结构优化设计节约的 钢材用量，因此高层建筑结构方案的优化设计可以在很大程度上节约 工程的总造价
9、。(2可靠度优化法在建筑结构的优化设计时，必须进行结构的整体可靠度优化。 在 地质灾害发生不活跃的地区，风荷载是主要的水平荷载。因此，在非 地震灾害区高层建筑结构的方案选型时， 应优先选用抗风性能比较好 的结构体系，也就是选用风压体型系数较小的建筑结构体系。比如结构外形呈曲线流线型变化的建筑结构圆形、椭圆形等，或是结构从下 往上逐渐减小的截锥形体系的风压体形系数较小，有利于很好地抗 风。止匕外，在对结构进行平面布置时，适合选取结构平面形状和结构 刚度分布均匀对称的结构体系类型，这样可以在很大程度上减小风荷 载作用下的扭转效应引起的结构变形和内力的影响。同时，还要限制高层建筑结构的高宽比，避免结
10、构发生倾覆和失稳现象。(3)高层体系优化法由于建筑使用性能的不同，所以其对内部空间的要求不同。同时, 高层建筑结构使用功能不同，则其平面布置也发生改变。通常，住宅 和旅馆的客房等宜采用小空间平面布置方案； 办公楼则适合采用大小 空间均有；商场、饭店、展览厅以及工厂厂房等则适宜采用大空间的 的平面布置；宴会厅、舞厅则要求结构内部没有柱子的大空间。由于 不同的结构体系可以提供的内部空间的大小不同，因此，在建筑结构设计阶段，应该首先根据建筑结构的使用功能，选用合适的结构类型。3结束语综上所述，在确定高层建筑结构方案时，要全面考虑结构的使用 功能、场地类别、设防烈度、建筑高度、地基基础类型、结构材料和 施工工艺，同时还要考虑结构的设计、技术以及经济保障等，选择最 优化的结构体系。参考文献1谢琳琳.关于高层建筑结构选型决策的研究D,重庆：重庆大学硕士学位论文，20012钟国华.高层建筑结构设计及某工程结构选型探讨D,重 庆：重庆大学硕士学位论文，20063王涛.高层住宅剪力墙结构设计与研究D,济南：山东大学 硕士学位论文，2008 最新【精品】范文
