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1、第八届“挑战杯”广东省参赛作品 汕头大学钢结构优化设计工具箱目 录一、 作品简介11二、 作品的详细功能列表16三、 作品的主要交互界面25四、 作品的部分测试数据37一、作品简介1. 研究背景和意义近20年来，随着我国国民经济的快速增长及国家政策的调整，我国已经成为世界上的产钢大国，再加上钢结构自身的诸多优点（如：自重轻、工期短、抗震性能好等），这一切都使得发展中的钢结构已经成为结构工程中一个重要的并富有活力的分支，广泛、深入地应用钢结构已成不可避免的现实。建设部在调整修订我国建筑技术改革中，亦明确提出推广应用钢结构。但同时，我们还应该看到，目前国内钢结构专业设计队伍还比较薄弱，还不能很好地
2、满足钢结构设计新形式的要求，多数结构工程师仍不熟悉钢结构设计规范，以致在一些工程设计中出现严重的技术经济不合理现象，甚至造成工程质量事故。随着钢结构在土木工程领域的应用日益广泛，钢结构设计水平已经成为评价一个国家建筑结构设计水准的重要标志。为了进一步提高钢结构设计水平和效率，目前国内一些科研单位和院校已经开发了一些符合我国设计规范要求的钢结构设计软件，如中国建筑科学研究院的STS、同济大学开发的启明星等，由于这些软件一般都是针对某种确定钢结构体系的结构设计系统，所以软件的功能虽然庞大，但是过程繁琐、通用性差，不利于设计人员作为工具灵活使用。另外，几乎所有的钢结构设计软件都没有采用优化设计，即设
3、计结果只以满足相关规范要求为前提，而忽略了经济性（优化）原则。在国外，目前还未见到有关钢结构优化设计的软件产品，虽然一些结构分析软件存在着优化功能，如美国的SAP、ANSYS软件，但由于其缺乏针对性，且不符合我国国情（即不符合我国相关规范的要求），所以很难将其推广应用于我国工程界。由此可见，开发一套即符合我国国情，又经济可靠的优化设计软件具有很大的必要性和广阔的应用前景。正是基于上述原因，我们才准备开发这套钢结构优化设计软件。2. 作品采用的技术方案1） 采用逆推原理，将规范中盘根错节的系数查询还原为明确的计算公式，简化查询过程；2） 利用改进的遗传算法对钢结构构件进行离散变量优化设计，符合工
4、程实际；3） 型钢库包含中、美、日等国最新的型钢数据资料，可满足用户的多种查询形式和多种升级方式的需求；4） 采用最新的工程分析计算语言Fortran Power Station 4.0进行编程实现；5） 界面采用VB.NET编程实现，友好、方便。3. 作品的特色本软件以即将颁布的新钢结构设计规范为依托，严格遵循规范中的各项要求，但同时又摆脱了规范中的各种条文和表格的束缚，将文字和公式具体化，直接应用于实际工程设计中，为广大设计者提供了便利。另外，本软件所特有的钢结构优化设计，不但能充分体现工程界一贯所追求的安全、适用和经济的宗旨，而且也符合我国目前的国情；它既能应用于实践，又能指导实践，是结
5、构整体优化所必须的重要基础工作，必将成为结构工程师的高效工具，具有很大的理论和实际意义。本软件不但能帮助设计者很好地了解和掌握钢结构设计规范的要求，而且还能指导设计者对钢结构进行快速优化设计，具有广阔的推广前景和显著的经济效益。4. 遗传算法用于解决工程结构优化问题的科学性和先进性实际工程结构优化问题多数属于非线性规划问题，且其中待优化的变量往往不一定是连续变化的，更多的是离散的，例如建筑物尺寸要符合模数要求，钢筋与型钢都是有一定的规格和型号，并不是连续变化的等等。因此考虑设计变量从预定的离散序列中取值，更符合实际，即式中，di1为第i个设计变量可取的第一个离散值，余同，共有q个离散值。离散变
6、量优化问题的基本特点是变量取值的离散性，可行解集在设计空间中呈散点状分布，即可行域变为可行离散解，从而数学模型中目标函数和约束函数不再具有连续性与可微性。这一系列的特点决定了结构优化问题的复杂性，即结构优化问题具有非线性、离散性、不可微、非凸性等特点。传统的优化方法对优化模型一般都有其自身的使用要求，如：连续性、可微性、非凹性等等。此时，若继续采用传统优化方法对工程结构问题进行优化必然会影响工程结构优化领域的可持续发展。显然，寻找一种既符合工程结构优化问题的特点，又简单、实用的优化算法已经成为工程结构优化设计者一项迫在眉睫的任务。遗传算法乃是建立在达尔文的生物进化论和孟德尔的遗传学说基础上的算
7、法，它通过全面模拟自然选择和遗传机制，形成一种具有“生成检验”特征的搜索算法。遗传算法以编码空间代替问题的参数空间，以适应度函数为评价依据，以编码群体为进化基础，以对群体中个体位串的遗传操作实现选择和遗传机制，建立起一个迭代过程。在这一过程中，通过随机重组编码位串中重要的基因，使新一代的位串集合优于老一代的位串集合，群体的个体不断进化，逐渐接近最优解，最终达到求解问题的目的。与传统优化方法相比，遗传算法对优化模型的要求甚低，它不要求函数的连续性和可微性，不要求设计空间的连通性和非凹性，因而其具有很强的通用性。另外，遗传算法还具有智能式搜索、渐进式优化、全局最优等众多的优点。遗传算法的这些特点和
8、优点决定了其在优化领域中具有着强大的生命力和活力，同时也为其在工程结构优化领域中的应用成为可能。大量的工程优化实例证实了遗传算法用于解决工程结构优化问题具有很好的科学性和先进性。5. 作品主要功能介绍5.1主框图5.2主要子框图基构件优化双向压弯构件单向压弯构件轴心受压构件弯构件对接焊缝连接连验算角焊缝连接普通螺栓连接摩擦型高强度螺栓连接基本构件优化承压型高强度螺栓连接基本构件优化型钢数据库型钢库系统设置型钢查询型钢库维护系数查询轴心受压构件的稳定系数梁的整体稳定系数柱的计算长度系数注：基本构件验算子框图与基本构件优化子框图内容相同，此处不再重复。二、作品的详细功能列表1连接验算1.1对接焊缝
9、1.1.1轴心受力直焊缝1.1.2轴心受力斜焊缝1.1.3弯矩和剪力共同作用下连接板对接焊缝1.1.4弯矩、剪力和轴力共同作用下工字形连接对接焊缝1.1.5弯矩、剪力共同作用下工字形连接板对接焊缝1.2角焊缝1.2.1轴心受力两板叠放角焊缝1.2.2轴心受力两板通过两连接板连接的角焊缝1.2.3弯矩、剪力和轴力共同作用下T形连接角焊缝1.2.4弯矩、剪力共同作用下工字形连接角焊缝1.2.5弯矩、剪力共同作用下T形牛腿连接角焊缝1.2.6扭矩、剪力共同作用下牛腿板连接角焊缝1.2.7相并角钢与节点板通过两面侧焊连接1.2.8相并角钢与节点板通过三面围焊连接1.3普通螺栓1.3.1轴心受剪螺栓1.
10、3.2偏心受剪螺栓1.3.3轴心受拉螺栓1.3.4弯矩受拉螺栓1.3.5偏心受拉(无剪力)螺栓1.3.6拉、剪联合作用螺栓1.4摩擦型高强度螺栓1.4.1轴心受剪螺栓1.4.2偏心受剪螺栓1.4.3轴心受拉螺栓1.4.4弯矩受拉螺栓1.4.5偏心受拉(无剪力)螺栓1.4.6拉、剪联合作用螺栓1.5承压型高强度螺栓1.5.1轴心受剪螺栓1.5.2偏心受剪螺栓1.5.3轴心受拉螺栓1.5.4弯矩受拉螺栓1.5.5偏心受拉(无剪力)螺栓1.5.6拉、剪联合作用螺栓2连接优化设计2.1角焊缝2.1.1轴心受力两板通过两连接板连接的角焊缝2.1.2弯矩、剪力和轴力共同作用下T形连接角焊缝2.1.3扭矩、
11、剪力共同作用下牛腿板连接角焊缝2.1.4相并角钢与节点板通过两面侧焊连接2.1.5相并角钢与节点板通过三面围焊连接2.2普通螺栓2.2.1轴心受剪螺栓2.2.2偏心受剪螺栓2.2.3轴心受拉螺栓2.2.4弯矩受拉螺栓2.2.5偏心受拉(无剪力)螺栓2.2.6拉、剪联合作用螺栓2.3摩擦型高强度螺栓2.3.1轴心受剪螺栓2.3.2偏心受剪螺栓2.3.3轴心受拉螺栓2.3.4弯矩受拉螺栓2.3.5偏心受拉(无剪力)螺栓2.3.6拉、剪联合作用螺栓2.4承压型高强度螺栓2.4.1轴心受剪螺栓2.4.2偏心受剪螺栓2.4.3轴心受拉螺栓2.4.4弯矩受拉螺栓2.4.5偏心受拉(无剪力)螺栓2.4.6拉
12、、剪联合作用螺栓3疲劳验算3.1一般常幅疲劳3.2重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架3.3变幅疲劳4系数查询4.1轴心受压构件的稳定系数4.1.1普通钢结构轴心受压构件的稳定系数4.1.2冷弯薄壁型钢结构轴心受压构件的稳定系数4.2梁的整体稳定系数4.2.1普通钢结构受弯构件的整体稳定系数4.2.1.1焊接工字形简支梁4.2.1.2轧制H型钢简支梁4.2.1.3轧制普通工字钢简支梁4.2.1.4轧制槽钢简支梁的4.2.1.5双轴对称工字形等截面（含H型钢）悬臂梁4.2.2冷弯薄壁型钢结构受弯构件的整体稳定系数4.3柱的计算长度系数4.3.1无侧移框架柱4.3.2有侧移框架柱4.3.3柱
13、上端为自由的单阶柱4.3.4柱上端可移动但不转动的单阶柱4.3.5柱上端为自由的双阶柱4.3.6柱上端可移动但不转动的双阶柱5基本构件优化5.1受弯构件5.1.1普通钢结构梁优化设计5.1.1.1型钢梁优化设计5.1.1.1.1热轧普通工字型钢5.1.1.1.2 H型钢5.1.1.1.3 T型钢5.1.1.1.4热轧普通槽型钢组合5.1.1.2组合梁优化设计（不考虑腹板屈曲后强度）5.1.1.2.1组合双轴对称工字形钢梁5.1.1.2.2组合单轴对称工字型钢梁5.1.1.2.3组合双轴对称箱形1钢梁5.1.1.2.4组合单轴对称箱形1钢梁5.1.1.2.5组合双轴对称箱形2钢梁5.1.1.3组
14、合梁优化设计（考虑腹板屈曲后强度）5.1.1.3.1组合双轴对称工字形钢梁5.1.1.3.2组合单轴对称工字形钢梁5.1.2檩条优化设计5.1.2.1热轧普通槽钢5.1.2.2冷弯薄壁槽钢5.1.2.3!冷弯薄壁卷边槽钢5.1.2.4冷弯薄壁直卷边Z形钢5.2轴心受压构件5.2.1实腹式型钢柱优化设计5.2.1.1热轧普通工字型钢5.2.1.2 H型钢5.2.1.3 T型钢5.2.1.4热轧槽钢组合5.2.1.5 热轧等边角钢T形组合5.2.1.6 热轧不等边角钢短肢相并组合5.2.1.7 热轧不等边角钢长肢相并组合5.2.1.8 热轧等边角钢十字形组合5.2.1.9 热轧无缝钢管5.2.2实腹式组合柱优化设计5.2.2.1组合双轴对称工字形5.2.2.2组合单轴对称工字形5.2.2.3组合双轴对称箱形15.2.2.4组合双轴对称箱形25.2.2.5组合双轴对称十字形(45度) 5.2.2.6组合T形5.2.2.7组合双轴对称复合工字形15.2.2.8组合双轴对称复合工字形2 5.2.3格构式型钢柱优化设计缀条柱：5.2.3.1分肢为工字型钢缀条柱5.2.3.2分肢为H型钢缀条柱5.2.3
