1 緒論

1.1 高層鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展
鋼結(jié)構(gòu)住宅是鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展而來，使用鋼材作為主要的承重骨架，其圍護(hù)、分隔結(jié)構(gòu)分別采用輕體材料組成。隨著我國社會(huì)及經(jīng)濟(jì)不斷地進(jìn)步，整個(gè)住宅產(chǎn)業(yè)逐漸成為整個(gè)建筑業(yè)的核心增長點(diǎn)，從而帶動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展。我國自改革開放以來，特別是二十世紀(jì)九十年代以后，隨著國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展和鋼鐵工業(yè)跨越式發(fā)展，我國在 1996 年鋼材產(chǎn)量突破 1 億噸，2011 年全國粗鋼產(chǎn)量達(dá)到 6.8 億噸[1]。鋼材產(chǎn)量的過剩使得鋼材市場越發(fā)低迷，很多專家提出只有鋼結(jié)構(gòu)住宅才可以解救鋼材市場。因此為了緩解我國鋼材過剩生產(chǎn)壓力和緩解我國住房問題，我國提出了住宅產(chǎn)業(yè)化道路。我國 1992 年正式提出邁向住宅產(chǎn)業(yè)化，開啟了住宅產(chǎn)業(yè)化的中國之路。在 1999年，政府確立房地產(chǎn)業(yè)作為拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長的支柱產(chǎn)業(yè)。伴隨著住宅產(chǎn)業(yè)化的興起，鋼結(jié)構(gòu)住宅也逐漸出現(xiàn)到了人們的視野中。 CTBUH（高層建筑與人居環(huán)境委員會(huì)）對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類，根據(jù)不同建筑物不同的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)對(duì)水平荷載效應(yīng)的適應(yīng)性對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅進(jìn)行了分類[2]，大致分為四類，如圖 1.1 所示： （1）框架結(jié)構(gòu)體系（包括半剛接及剛接框架）； （2）共同作用結(jié)構(gòu)體系（包括框架-支撐體系、帶伸臂桁架的框架-支撐體系）； （3）部分筒體結(jié)構(gòu)體系（包括帶支撐的槽型筒、槽型筒和工字型開口筒的組合筒）； （4）筒體結(jié)構(gòu)體系（包括外筒、筒中筒及巨型支撐外筒）。 框架結(jié)構(gòu)的延性性能較好，適用于層數(shù)較低不需要很大的抗側(cè)力的建筑；共同作用結(jié)構(gòu)，通過支撐構(gòu)件提高了框架的剛度，但是由于這種支撐構(gòu)件可能會(huì)導(dǎo)致屈曲變形，使得原結(jié)構(gòu)發(fā)生更嚴(yán)重的破壞；部分筒體結(jié)構(gòu)，其實(shí)就是支撐結(jié)構(gòu)與筒體結(jié)構(gòu)的結(jié)合體系，性能介于兩者之間，抗側(cè)性能比共同作用的支撐結(jié)構(gòu)好一些，但是還會(huì)因?yàn)橹纹茐亩绊懻w屈曲；筒體結(jié)構(gòu)，是一種柱網(wǎng)很密的框架結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的梁跨度小，剛度大，所以整個(gè)結(jié)構(gòu)形成一種整體受彎的薄壁筒體，抗側(cè)剛度和承載力變得很大，此結(jié)構(gòu)多用于高層和超高層建筑。高層鋼結(jié)構(gòu)中住宅建筑多采用框架或框架-支撐體系。 
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1.2 鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)化的必要性
從住宅適用性和經(jīng)濟(jì)性能上分析，可以說鋼結(jié)構(gòu)住宅是完勝普通混凝土住宅，但是為何房產(chǎn)市場中還是以混凝土住宅所謂主導(dǎo)。對(duì)此我們通過一個(gè)房地產(chǎn)公司，研究了阻礙鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的最主要原因——造價(jià)。鋼結(jié)構(gòu)住宅造價(jià)很高，這是買房者最為關(guān)心的問題。經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不單只從成本出發(fā)，還要考慮綜合效應(yīng)，目前狀況看來，鋼結(jié)構(gòu)住宅標(biāo)價(jià)已經(jīng)與一般混凝土持平，再加上現(xiàn)在逐步增加的勞動(dòng)力成本，鋼結(jié)構(gòu)住宅已經(jīng)完全可以達(dá)到一般混凝土住宅的成本。但是事實(shí)上在房地產(chǎn)市場中還是很少有鋼結(jié)構(gòu)形式的住宅出現(xiàn)。經(jīng)過走訪多家房地產(chǎn)公司才了解到，理論上的綜合成本已經(jīng)和混凝土結(jié)構(gòu)的住宅持平，但是我國設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)豐富，而對(duì)高層復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)形式建筑的設(shè)計(jì)水平還沒有達(dá)到世界頂級(jí)水平。因此受限于設(shè)計(jì)水平、施工技術(shù)、我國工業(yè)化程度，使得鋼結(jié)構(gòu)住宅用鋼量達(dá)到很高，這才是致使鋼結(jié)構(gòu)住宅無法大規(guī)模出現(xiàn)的最重要原因。 正是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)在使用中還存在很多問題，所以本文對(duì)鋼框架住宅提出優(yōu)化的建議。本文針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅進(jìn)行了細(xì)致的分析，主要就是從設(shè)計(jì)層面來減小用鋼量，從而減小成本，來試圖改善鋼結(jié)構(gòu)住宅市場。而含鋼量過大就是房地產(chǎn)公司和業(yè)主最關(guān)心的問題之一。 
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2  結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論 

2.1 優(yōu)化算法 
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是 20 世紀(jì) 60 年代初新出現(xiàn)的一門學(xué)科，就是將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)結(jié)合使用的新領(lǐng)域[19]。 傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是單純的依靠設(shè)計(jì)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，再根據(jù)類似的工程設(shè)計(jì)，擬出多個(gè)方案進(jìn)行比較分析，針對(duì)結(jié)構(gòu)選型、材料選擇、構(gòu)件尺寸、構(gòu)件樣式等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[20]。但是這種優(yōu)化方案就限于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，從而不能達(dá)到最優(yōu)方案，只能得出可行方案。所以傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法作出的可行方案，就是依靠反復(fù)分析結(jié)構(gòu)的性能，力學(xué)分析最終只是起到一種校核的服務(wù)作用[21]，而不是主動(dòng)地設(shè)計(jì)變量來影響結(jié)構(gòu)的參數(shù)。 現(xiàn)代的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以說已經(jīng)發(fā)展成為單純的計(jì)算機(jī)技術(shù)[19,22]，不需要過多的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，只要依靠設(shè)計(jì)規(guī)范來規(guī)定優(yōu)化變量，就可以完成整個(gè)優(yōu)化過程，這種方式一定可以達(dá)到最優(yōu)方案，但是又違背了工程實(shí)際情況，很可能造成嚴(yán)重的事故[23]。分部優(yōu)化法是指把結(jié)構(gòu)分成很多構(gòu)件，比如基本的桿件、梁等，根據(jù)這些構(gòu)件的受力情況對(duì)它們進(jìn)行優(yōu)化，再組合起來重新分析，不斷重復(fù)這樣分部到整體的交替過程，直到前后兩次方案的變化足夠微小，在誤差范圍內(nèi)為止[24]。然后針對(duì)最后的方案進(jìn)行一次分析，看看是否可行。圖 2.1 是分部優(yōu)化法的兩個(gè)框圖，一個(gè)不帶可行性調(diào)整，但對(duì)收斂性沒有把握；另一個(gè)帶可行性調(diào)整，每次迭代結(jié)束都把方案調(diào)整到可行域邊界上，并用目標(biāo)函數(shù)值的比較來判斷收斂[25]。 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在滿足各種規(guī)范或某些特定要求的條件下，使建筑結(jié)構(gòu)的某種指標(biāo)（如重量、造價(jià)、剛度等）為最佳的設(shè)計(jì)方法[26]。也就是要在所有可用方案和做法中，按某一目標(biāo)選出最優(yōu)的方法[27]。 
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2.2  本文采用的優(yōu)化算法
本文試圖結(jié)合使用設(shè)計(jì)類軟件 STS 和有限元分析軟件 ABAQUS，結(jié)合 YJK 軟件輔助計(jì)算。整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向就是“構(gòu)件優(yōu)化、整體分析”。根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出可優(yōu)化構(gòu)件的方案進(jìn)行構(gòu)件優(yōu)化，然后針對(duì)每個(gè)方案做整體分析觀察結(jié)構(gòu)性能。 本文采用的是一種傳統(tǒng)的優(yōu)化方法-分部優(yōu)化法。分部優(yōu)化法的思路是，對(duì)給定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在各種工況下進(jìn)行整體分析，得到它的內(nèi)力分部；然后假設(shè)內(nèi)力恒定的情況下，把結(jié)構(gòu)拆開成若干構(gòu)件或子結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分部優(yōu)化，修改各部分的設(shè)計(jì)變量，再將各部分重新拼裝，得到一個(gè)新的結(jié)構(gòu)方案。這也是前文說到的“構(gòu)件優(yōu)化”。 因?yàn)楸疚难芯康氖菍?shí)際工程，所以優(yōu)化單一構(gòu)件一定會(huì)對(duì)建筑物整體產(chǎn)生影響，因此在“構(gòu)件優(yōu)化”的情況下對(duì)建筑物進(jìn)行整體分析，在“構(gòu)件優(yōu)化”的方案中選取一個(gè)最合適方案進(jìn)行分析驗(yàn)證，，來確保安全性。 首先對(duì)已建建筑進(jìn)行重新建模，與之前模型對(duì)比分析，尋找出優(yōu)化方向（體系，構(gòu)件）。分別分析體系和構(gòu)件，尋找在不影響房屋使用和住房面積的情況下，含鋼量和總造價(jià)最優(yōu)化的方案。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，不是以犧牲結(jié)構(gòu)安全度和抗震性能來求得經(jīng)濟(jì)效益的，而應(yīng)該是優(yōu)化人員以自身精益求精的責(zé)任感和成本控制意識(shí)，通過進(jìn)行多方案比較、反復(fù)計(jì)算以及構(gòu)造等方面的把控而得到一個(gè)安全、經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計(jì)成果，找到其中安全、經(jīng)濟(jì)的平衡點(diǎn)。優(yōu)化的過程著眼于結(jié)構(gòu)體系和布置的合理性以及高新技術(shù)的應(yīng)用。通過減輕重量、和順剛度、增大延性等措施使結(jié)構(gòu)更趨合理，從而提高安全度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化還可發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)，糾正不足，降低不安全因素。 
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3  某鋼框架住宅梁的優(yōu)化設(shè)計(jì) .....13 
3.1  工程概況 ...... 13 
3.2  優(yōu)化方案 ...... 14 
3.2.1  優(yōu)化方案介紹 ..... 14 
3.2.2  優(yōu)化過程 .... 22 
3.3  本章小結(jié) ...... 30 
4  優(yōu)化方案抗震分析和優(yōu)化結(jié)果分析 ..... 31 
4.1  抗震設(shè)計(jì) ...... 31 
4.2  優(yōu)化結(jié)果對(duì)比 ....... 38 
4.3  本章小結(jié) ...... 39 

4  優(yōu)化方案抗震分析和優(yōu)化結(jié)果分析

4.1  抗震設(shè)計(jì)

原方案、方案一、方案二、方案三中，建筑物整體在地震作用下的層間位移都小于 1/250，而方案三的應(yīng)力比圖中發(fā)現(xiàn)多處鋼柱強(qiáng)度應(yīng)力比、平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力比、平面外穩(wěn)定應(yīng)力比大于 1，因此方案三會(huì)出現(xiàn)柱子的破壞，所以擬出的方案二為最優(yōu)方案。 根據(jù)規(guī)范要求，超過 60m 的鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)使用反應(yīng)譜法進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算[37,38]。所以為了保證優(yōu)化結(jié)果的真實(shí)性，繼續(xù)用 ABAQUS[45]和 YJK 有限元軟件對(duì)方案二進(jìn)行加載地震波模擬。   作彈性時(shí)程分析時(shí)，所選用的地震組數(shù)不少于二組實(shí)際震動(dòng)強(qiáng)度記錄和一組人工模擬的加速度時(shí)程曲線。選取地震波應(yīng)考慮三個(gè)要素：（1）頻譜特性。（2）峰值調(diào)整。（3）地震動(dòng)持時(shí)。包頭市設(shè)防烈度 8 度，地震加速度 0.2g，最大影響系數(shù) 0.16，峰值加速度 70cm/s2，特征周期 0.35s，阻尼比 0.02。根據(jù)以上條件選取列三條地震波。人工波“包頭市”，PGA（地震波主方向峰值加速度）=70 cm/s2，持續(xù)時(shí)間為 30.008s，其波形圖如圖 4.1。天然波“Whittier Narrows-01_NO_612”，PGA=67.9676 cm/s2，持續(xù)時(shí)間 36.96s，發(fā)生于 1987 年 10 月 1 日早晨 7:42，里氏 5.9 級(jí)，波形圖如圖 4.2[46]。天然波“Northridge-06_NO_1696”，地震波主方向峰值加速度 68.5572  cm/s2，持續(xù)時(shí)間為4.99s，發(fā)生于1994年1月17日凌晨4:31，里氏6.6級(jí)地震，波形圖如圖4.3[47]。 

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結(jié)    論

本文對(duì)包頭市某鋼結(jié)構(gòu)住宅 14#樓進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化梁截面尺寸，進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)。型鋼梁用鋼從原方案的 500.16T 減小到 456.15T，優(yōu)化率達(dá)到 7.40%，總用鋼量從 109.44kg/m2減少到 107.01kgkg/m2。通過抗震性能驗(yàn)證，優(yōu)化方案提高了建筑抗震性能，減小建筑物的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、層間位移。并且通過對(duì)已建建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出新的方案，對(duì)設(shè)計(jì)單位提出含鋼量要求的控制，并且已經(jīng)落實(shí)到該項(xiàng)目三期、四期項(xiàng)目的開發(fā)，大大節(jié)約了成本。 本文因時(shí)間有限只涉及到鋼結(jié)構(gòu)住宅的梁優(yōu)化設(shè)計(jì)，工程中樓板，支撐以及柱子和地基都可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以通過對(duì)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)減小很大的材料成本。而且優(yōu)化層次大體上可以分為：構(gòu)件截面尺寸的優(yōu)化、結(jié)構(gòu)幾何形狀的優(yōu)化、結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化、結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化。本文只做到梁截面尺寸的優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果減小含鋼量也不是很大，因此可以有進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)從而減小含鋼量。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化其實(shí)最關(guān)鍵的限制就是時(shí)間和工作量過大，很多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只是單純的依靠經(jīng)驗(yàn)保證結(jié)構(gòu)整體剛度和穩(wěn)定性，而涉及到抗震設(shè)計(jì)，其實(shí)剛度過大只會(huì)更加危險(xiǎn)。因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不是單純的減小用鋼量，而是從根本上改善抗震設(shè)計(jì)。例如日本要求“耐震”，而我國要求的是“抗震”，這就可以明顯的看出，我國過于重視剛性設(shè)計(jì)，輕視了柔性設(shè)計(jì)。要想從根本上解決地震產(chǎn)生的影響，就必須要進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)除了節(jié)約成本的另一個(gè)作用就是通過柔性設(shè)計(jì)從而改善抗震性能。因此本文提出，希望今后的建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)尤其是大型住宅設(shè)計(jì)，不只是單純的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，需要大量的力學(xué)計(jì)算和有限元分析，得到可行的最優(yōu)方案。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：39001