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基于Ansys程序的钢结构优化设计的研究

来源:    2017-11-24 16:45

摘要:钢结构构件一般采用工字型截面,考虑混凝土与钢材的组合作用将大大改善钢结构的工作性能,通过在钢梁上面焊接栓钉使混凝土楼板和钢梁共同工作形成钢-混凝土组合梁,所用的材料没有增加多少,但是构件的承载力和刚度会增加一倍以上,由于混凝土楼板与钢梁可靠连接,从而钢梁不会发生整体稳定破坏,而是发生强度破坏,可以充分利用钢材强度高的优势,使材料的性能达到最大限度的利用,这样结构的自重也会大大降低,从而结构受到的地震作用大大降低,钢柱可以采用钢管混凝土柱,钢管由于混凝土的阻碍大大提高了稳定性,混凝土由于钢管的握裹,强度提高较多,塑性提高更多,从而吸收较大的地震能量,是一种极好的抗震构件截面形式。

近年来我国钢材产量连年位居世界第一,导致钢结构发展十分迅猛,但是我国钢结构的应用范围和国际还有很大差距;目前我国钢结构的应用范围还局限在航站楼、会展中心、体育场馆和工业厂房,而民用建筑主要还是采用钢筋混凝土结构,目前我国政府从政策上大力倡导民用建筑钢结构化,但是很多设计人员对钢结构的设计理念不是很了解,部分结构工程师对钢结构体系概念不清楚,对节点构造和楼板铺设方向对结构的影响和楼板平面刚度不够重视。

钢结构设计首先应该进行结构布置,布置原则符合以下要求。建筑平面宜简单,规则、对称和开展;尽量让水平荷载合力作用线与结构刚心重合;支撑在结构平面两个方向布置要对称,框筒结构柱距在1.5米和3米之间,在结构平面拐角处不布置楼梯间和电梯间;尽量不设置变形缝。尽量让结构平面规整,由于建筑设计的需要必须设缝时,要少设缝;结构立面尽量沿高度方向均匀变化;结构刚度在竖直方向要均匀连续避免突变;超过十二层的钢结构要设置地下室;结构的最大高度不得超过结构的最大高度限制值。

结构布置以后进行结构受力分析,要按照以下原则进行结构受力模型的建立。结构的作用效应按照弹性理论计算,截面设计时候考虑塑性影响;假定楼面刚度在自身平面内卫无穷大;结构计算模型一般采用平面模型,结构复杂无法按照平面模型计算时候,应用空间结构计算模型;柱间支撑两端为刚性连接;应该考虑重量荷载引起的竖向构件差异缩短所产生的影响;内力分析时候应考虑温度变化引起竖向构件差异缩短所产生的影响。

结构内力计算借助计算机来完成。结构在风载和地震作用下产生水平位移时候,竖向荷载将会加大结构的水平位移导致建筑整体失稳,因此高层钢结构内力计算必须考虑这种影响。

钢结构应该进行抗震设计,钢结构应该满足小震不坏,中震可修,大震不倒。为此钢结构应该进行多遇地震作用下的弹性分析,验算构件承载力和结构层间侧移,其次进行钢结构在罕遇地震作用下的弹塑性分析,验算结构层间侧移。钢结构的地震作用的计算方法是底部剪力法,振型分解反应谱法和时程分析法。钢结构的承载力应该放大,因为地震是一种偶然作用并不是时时发生。

钢结构还要抗风设计,因为长时间的震动会导致结构疲劳而破坏,结构在风载作用下发生的变形较大会导致填充墙开裂,建筑玻璃幕墙会因较大风压而破坏,风振加速度过大会让使用者不安。《高层民用建筑钢结构技术规程》要求钢结构顶层质心位置侧移不超过建筑高度的1/500,还可以通过限制顶点最大加速度来满足人的舒适度。

钢结构构件一般采用工字型截面,考虑混凝土与钢材的组合作用将大大改善钢结构的工作性能,通过在钢梁上面焊接栓钉使混凝土楼板和钢梁共同工作形成钢-混凝土组合梁,所用的材料没有增加多少,但是构件的承载力和刚度会增加一倍以上,由于混凝土楼板与钢梁可靠连接,从而钢梁不会发生整体稳定破坏,而是发生强度破坏,可以充分利用钢材强度高的优势,使材料的性能达到最大限度的利用,这样结构的自重也会大大降低,从而结构受到的地震作用大大降低,钢柱可以采用钢管混凝土柱,钢管由于混凝土的阻碍大大提高了稳定性,混凝土由于钢管的握裹,强度提高较多,塑性提高更多,从而吸收较大的地震能量,是一种极好的抗震构件截面形式。

钢材比混凝土贵得多,对钢结构进行优化设计很有必要,即设计的钢结构不但安全,而且钢材的用量还要尽可能的少,优化设计的种类大致有以下几种:

1)基础优化:同一个建筑可用的基础形式有多种,比方独立基础,条形基础,筏板基础,桩基础,应该进行基础方案的比较,选择一种既安全又经济的基础形式。

2)高层建筑抗风力体型的的优化:风载和建筑立面体型密切相关,美国西尔斯大厦是全钢结构,高443米,对大厦立面进行优化设计以使得建筑承受的风载尽可能小,钢材采用Q345钢,钢材用量159kg/m.m2,舒适度的限值远远高于我国钢结构规范的规定值。

3)楼层刚度优化:采用钢-混凝土组合楼盖,大大提高楼层刚度,起到减少层间位移的目的。

4)节点优化:节点设计不合理会直接导致钢结构在地震中倒塌,为了抗震,现在尽量减小节点的刚度,让节点的变形在地震中较大的发展,保证建筑歪而不倒。

5)应力优化:使得应力接近强度设计值避免浪费。

现在人们主要应用的是通过软件减小构架截面,即是应力优化,目前最常用的是Ansys程序,大致分为以下几个步骤:

1 基于APDAL优化设计原理

将有限单元法与优化方法结合,形成Ansys优化模块,通过三大变量来实现优化过程。

1)设计变量:设计中需要不断调整数值的设计变量,比方构件的截面尺寸;

2)状态变量:是设计变量的函数,比方构件的应力小于应力允许值,结构的位移不超过规范的规定;

3)目标函数:设计变量的函数,比方结构的总重量最小。

2 优化过程

2.1 构建优化分析文件

1)参数化建模。将要参与优化设计的设计变量初始化,建立参数化分析模型;

2)加载和求解。在求解器中对分析模型进行加载和求解;

3)参数化提取结果。提取结构分析模型的计算结果并赋值给状态变量和目标函数;

4)建立分析文件。通过LGWRITE命令生成分析文件。

2.2 建立优化控制文件

1)进入优化设计模块,指定优化分析文件;

2)声明优化变量;

3)选择优化方法并进行优化分析;

4)进行优化参数评价。

2.3 根据已完成的优化循环修改优化变量重新优化设计

2.4 查看设计结果

3 建立钢框架结构参数化有限元模型

钢梁和钢柱采用BEAM188单元,BEAM188单元是空间的3-D梁单元,在单元输出时能获得框架梁、柱内力分析数据。BEAM188是线性单元,该单元仅有一个沿轴线方向并且位于梁的中点的积分点。选取BEAM188单元来模拟框架中的梁、柱。

梁单元BEAM188要定义截面库中的单元截面,允许用户自定义横截面。BEAM188单元增加了单元方向关键点的定义,用来进行梁单元横截面主轴的定位。

4 建立钢框架结构优化模型

4.1 设计变量:钢梁的翼缘的宽度和厚度,腹板的宽度和厚度;钢柱的翼缘的宽度和厚度,腹板的宽度和厚度

4.2 目标函数:一榀钢框架结构的总重量

4.3 状态变量:强度和稳定约束条件,刚度约束条件

5 算例

某两跨四层钢框架结构,跨度分为6.6米和6.3米,基础顶面和室外地面距离1.25米,梁柱采用焊接工字型截面,Q235钢,楼面采用钢筋混凝土结构,外墙和内墙采用混凝土轻质砌块分为200mm和100mm,基本风压和基本雪压为0.4千牛每平方米,楼层活载标准值为2.0千牛每平方米,屋面活载为1.5千牛每平方米,采取一阶方法,迭代29次后停止,第29次为最优设计序列,下表列出原设计方案和优化设计方案的结果,可见采用优化设计,减少了钢材的用量,降低了结构的造价。