辽宁某乳业综合楼抗震优化的研究

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1.绪论

实际工程中的结构设计,就是对建筑结构的分析计算。首先根据初期的地质勘探报告、设计经验先假设结构方案,在 PKPM 软件的 PMCAD 中建立结构模型,通过软件 SATWE 部分进行整体的分析计算和参数调整,最后进行基础的设计和施工图的绘制。其核心就是软件的 SATWE 分析,通过设定工程相关参数,然后不断的校核改正已满足规范要求,最终得到一个较合理的设计方案。规范是结构设计的灵魂,结构设计的整个过程就是围绕规范和图集进行的,最终还是为了满足规范。这种设计过程比较机械,缺乏灵活性和创新性、资源的利用率低;而且当遇到超限结构和新型结构时,传统设计方法出现很多弊端,不能满足工程安全性和功能要求,因此很多复杂结构的设计需多种有限元软件校核。结构优化是在结构设计基础上的延续,并对结构设计理论和方法做了补充和创新。结构优化设计实质就是对结构全方位、多层次、多角度的分析和选择,目的是筛选最优方案。通过计算机相关软件的使用,使结构优化理论与力学分析方法紧密结合,建立一个合理、符合实际、约束限制下的参数化模型,变量参数逐渐趋于连续性变化的承载结构设计[1-3]。

1.1 选题背景

1.1.1 选题背景

近年来,伴随着城市基础设施建设如火如荼的开展和人民对物质文化需求快速增长,框架结构[4]因大空间、布置灵活、经济合理在公共建筑中广泛使用。只有改善框架结构抗震性能才能使结构更安全适用。汶川地震后的震害实例调查[5]显示,框架结构填充墙等非主体构件破坏相当普遍且十分严重,极大的危害人们生命财产安全。研究框架填充墙动力特性和破坏机制,有利于填充墙和框架结构主体协同受力共同抵抗地震作用,有一定的借鉴意义和实际意义。目前的优化设计主要用做一种辅助设计手段,目的是满足建筑功能性和规范的基础上,取得建筑物最大性价比。同时作为工程设计行业的新方向,结构的优化设计将变成设计的主流,引导结构设计向更加灵活多变,精确高效方向发展。传统的结构设计,因其对设计经验和相关规范的盲目依赖,会使结构设计变得机械、重复。当遇到一些复杂、新型结构时,往往会因为缺乏设计经验,变得无从入手。优化设计对于未知结构的设计优势明显,自动优选结构方案同时为我们提供了实践经验。对于相同的建筑方案,不同设计者的结构方案不可能完全相同,工程的性价比也会存在差异。结构优化设计不仅使设计意图更明确、清晰,同时为结构设计注入了生机和活力。

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1.2 国内外发展现状及存在问题

所谓的“优化”就是遵循特定的标准从所有可能方案中找出最优方案,即在规范或经验的约束下,结构满足某种广义性能或目标的最优[7]。从古代,优选的思想已经在工程实践中开始萌芽,结构形式由梁演变到桁架、拱、预应力混凝土梁就是人们不断的优选合理结构形式的过程中长期经验的总结。从桁架式结构的最优布局问题到后来出现的“同步极限”准则,都体现了近代人们对优化理论的思考和尝试。20 世纪 60 年代初,计算机出现及推广应用加快了结构优化理论的发展进程,优化理论在这个时期初具雏形。LA.Schmti 用非线性数学方法结合有限元结构分析进行了结构的自动优化分析,用数学规划方法进行多种载荷情况下弹性结构设计。此分析方法是,通过归纳方法理论来限制结构的位移或应变,以求目标函数的上下限。然而数学规划理论,具有设计效率低、计算量巨大、经济性很差、难于推广应用于工程设计实例等诸多缺点。于是优化准则法应运而生,如最优结构准则库恩一塔克(Kuhn—Tucker)条件,属于非线性规划。优化准则法计算效率高,主要是迭代次数少,有利于设计变量的增加,但应用于工程实践之中缺乏实际意义,因为它缺乏数学理论的支持,不能进行收敛性证明。20 世纪70 年代中后期,人们结合力学特征综合并改进了规划法和准则法,用数学规划法解决了替代非线性复杂问题的显式约束问题,并使得其计算效率有了显着的提高。随着结构优化理论研究和实际应用经验的积累,优化设计实现了从质变到量变的发展历程,它综合了有限元、数学方法、力学、计算机技术和规划理论等多种学科理论,优化目标、过程、参数变量等实现了由简单到复杂、离散性向连续性的、被动向主动的蜕变。目前的拓扑优化,极其复杂基于结构内部拓扑关系,对于工程优化界是一个新的挑战。

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2.基本原理

2.1 优化设计理论

当前的结构设计,本质上就是基于建筑功能、规范要求上的分析计算,包括假设方案—建模分析—校核改正三个步骤。传统设计只有在设计不满足需求和规范要求时才进行重新设计,而重新设计就是重新假设方案再重复以前的步骤。结构优化设计重在优化设计软件筛选过程,既要满足某些规则的限制,又要达到既定目标的要求。结构优化设计综合考虑所设定的各种变量参数,其大体过程为:参数化建模—分析改变变量—搜索最优方案。结构优化设计完美协调结构的各个变量参数,最合理整合各种资源。它优于传统的结构设计的关键就是:让设计经验从主体地位变成被动地位,发挥了主动选择的主观能动性。它综合性很强,涵盖了数学规划法,力学理论、有限元理论和计算机技术等。总的来说,结构优化设计目的就是为了追求最佳设计方案,实现诸多功能、价值和性能的整体平衡。针对超出设计者经验的新型和复杂结构,优化设计是一种很好的方法。虽然结构优化设计没有完全脱离规范和经验的禁锢,但它比传统的设计更具潜力:(1)优化能够提高设计效率,降低工程造价。相对传统设计的被动性,以工程造价为目标进行结构优化设计可显着降低结构造价,对一些简单构件和新型复杂的构件分别能够节约 5~8%和 15~25%的成本。(2)设计意图清晰、明确,可根据实际情况灵活的选择不同的设计变量参数和目标函数,为工程设计提供更多的可行性和多样性,方便了设计者的决策。(3)优化后通过改变结构方案布置和构件尺寸,方便优化前后的参数对比。可以评估再建项目的可行性和合理性,为工程实践提供了借鉴和指导。(4)结构优化设计方法的提出推动了土木工程的精细化和精确化发展,改善传统意义上的设计思路,为结构设计的发展注入了新的思想和活力。结构设计的流程将不断地简化,解决问题的效率进一步提高。

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2.2 抗震设计理论

地震是由于地壳相邻板块运动撞击释放的能量造成的震动。大地震爆发时释放出巨大的能量,足以造成地球表面及建筑物的严重破坏,危及到人民的生命和财产

安全,而余震使得次生灾害频发,也导致了巨大的经济损失和增加了救援难度。随着科技的发展,对地震作用的研究成为人类所要面临的重大课题。结构抗震理论出现于 20 世纪初期,随人们对地震灾区实践经验的不断积累和研究的不断深化,结构抗震设计理论日趋完善。在工程结构设计中,设计师要优先考虑建筑物的抗震性能,保证多数建筑物在地震作用下尽量处于弹性阶段。砌体结构中的圈梁和抗震柱,高层建筑中的抗震墙等都体现了人们在生活实践的摸索中抗震经验不断积累的过程。结构抗震理论由最初的静力理论向反应谱理论,模态理论,动力理论[46]发展,以下是各种理论的简介:(1)静力理论:出现在 20 世纪初期,视建筑物为绝对刚性,地震时其最大加速度和地面相同,运动也完全一致。这种方法计算简单,但其完全忽略结构动力特性的影响,只适用于结构固有的基本周期远小于地面运动周期的情况,如一些低矮的、刚性大的建筑。(2)反应谱理论。反应谱分析根据加速度反应谱对结构的地震作用进行弹性计算,按照内力组合进行承载力设计,并采取适当的构造措施保证结构延性和实现“大震不倒”。 ............

3.ANSYS 有限元分析.........12

3.1 程序介绍.......12

3.2 常用术语.......13

3.3 ANSYS 建模方法及相关单元.....14

3.4 本文使用的优化方法及优化意义.......16

4.地震作用下的框架优化设计............17

4.1 工程概况.......17

4.1.1 工程实例概况...........17

4.1.2 软件建模参数...........18

4.2 PKPM 模型建立....... 20

4.2.1 PKPM 模型展示.........20

4.2.2 结构内力计算分析.............20

4.3 ANSYS 模型建立..... 23

4.3.1 ANSYS 模型.....23

4.3.2 ANSYS 静力学分析.............24

4.3.3 模态分析和谱分析.............27

4.4 ANSYS 结构优化设计....... 32

5.结论............42

4.地震作用下的框架优化设计

4.1 工程概况

(1)材料特性:①混凝土梁、柱采用 C30,弹性模量 Es=3×1010N/m2,泊松比μ=0.2,密度?=25003kg /m 。②屋板、楼板采用 C25,楼板厚度为 0.12m,弹性模量 Es=2.8×1010N/m2,泊松比μ=0.167,密度?=25003kg /m 。③墙体采用砌体填充墙,墙体厚度为 0.2m,弹性模量 Es=2.6×109N/m2,泊松比μ=0.15,砌体墙的密度?=10003kg /m 。(2)荷载取值:①屋面荷载,恒载为 4.5KN/m2,活载为 0.5KN/m2。②标准层楼面荷载,恒载为7.0KN/m2,活载为2.0KN/m2。③主梁线荷载为5.1KN/m2,次梁线荷载为 5.4 KN/m2。(3)整体布置情况:①主梁截面为 300mm×750mm,次梁截面为 300mm×600mm;一至五层柱截面为 600mm×500mm。②框架结构为五层结构总高度 17.1m,第一层高 3.9m,二、三、四、五层层高 3.3m。③B 和 C 轴线前的②~⑧轴线为走廊,无填充墙布置。④结构的平面、正立面、侧立面布置图如下:

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结论

本文运用 ANSYS 软件,在考虑填充墙的前提下对辽宁某乳业框架综合楼进行地震作用下的优化设计。首先使用 PKPM 软件对工程实际进行了试算调整,以满足实际要求。然后在基于 PKPM 的基础之上,用 ANSYS 进行了静力和动力分析,提取了内力、变形。最后用 ANSYS 的 APDL 语言进行参数化建模,对模型进行目标函数下的优化。得到结论如下:

(1)本文主要工作是确定总造价最小的目标函数情况下,优化梁、柱的截面尺寸以及填充墙的高度。设计变量为填充墙高度,梁和柱的截面尺寸,最终建筑物的体积也有所减低,达到经济合理、轻质高强的目的。在荷载规范的要求下,得到填充墙以及梁柱截面尺寸的最优解。其中截面尺寸优化后对比得到:主梁梁宽约减少 16.67%,梁高约减少 20%;次梁梁宽 33.33%,梁高不变;柱截面一边尺寸不变,另一边减少 16.67%;首层填充墙增大一倍,二层至五层减少 39.40%。总的来说,构件尺寸减小了。

(2)通过建立基于实际工程的结构模型、静力学分析、动力学分析(模态分析、谱分析)、模型优化设计等过程,提取了结构的静力和地震作用下的内力图、变形图等,结果与实际结构基本吻合。优化前后的结果对比,结构的最大弯矩约减少了 11.28%,最大剪力约减少了 29.81%,轴力越增加了 2.37%,von mises应力减少了 2.14%,首层位移增加了 19.4%。整体上看,结构的内力变小了,变形增大了。通过观察 von mises 应力图得到:此应力值在柱的底部达到最大,同时随柱高度的增加而减小,主要是由于结构整体的剪切变形,底部剪力最大容易破坏。而梁的两端等效应力最大,中部最小。

(3)通过与 PKPM 的固有振型和频率的比较,采用基本相同的建模方式,ANSYS 模态分析得到的振型和 PKPM 固有振型相吻合。即第一振型为水平 y 方向的平动(ANSYS 图中显示为 z 向);第二振型为水平 x 方向的平动;第三振型为平面内的扭转,且 ANSYS 计算的频率偏大。当采用部分填充墙模型时(比较接近实际工程),结构的振型发生了改变,第一振型变为水平 x 方向的平动;第二振型变为水平 y 方向的平动(ANSYS 图中显示为 z 向),且与 PKPM 相对比计算周期约为前者的 0.52 倍,大体接近于规范中框架结构折减系数 0.6-0.8 的要求。