淺談鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

吳浩然

南京蘇夏設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 江蘇南京 210000

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有施工操作步驟簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)布置方案靈活，建設(shè)質(zhì)量安全可靠等一系列優(yōu)勢(shì)，在工程項(xiàng)目建設(shè)實(shí)踐中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。從設(shè)計(jì)角度上來(lái)說(shuō)，針對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)多根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)確定構(gòu)件尺寸以及結(jié)構(gòu)布置方案，然后通過(guò)內(nèi)力分析的方式確認(rèn)指標(biāo)是否符合規(guī)范要求，然后根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)方案進(jìn)行反復(fù)修改，不但導(dǎo)致工作量巨大，同時(shí)還難以達(dá)到節(jié)約造價(jià)的目的。因此，研究鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義與價(jià)值[1]。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在ANSYS平臺(tái)支持下，進(jìn)行鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法包括兩大類(lèi)，分別為零階優(yōu)化以及一階優(yōu)化。其中，零階優(yōu)化方法是指在目標(biāo)函數(shù)基礎(chǔ)之上增加罰函數(shù)，以此種方式將約束問(wèn)題轉(zhuǎn)換為非約束性問(wèn)題，通過(guò)曲線擬合的處理方式圍繞設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建解析函數(shù)關(guān)系，以達(dá)到逼近解析結(jié)果的目的。一階優(yōu)化方法則是在添加罰函數(shù)基礎(chǔ)之上，借助于因變量對(duì)設(shè)計(jì)變量求導(dǎo)結(jié)果，以最小化真實(shí)的有限元結(jié)果。

以目前工程實(shí)踐中應(yīng)用較多的零階優(yōu)化方法為例，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要操作步驟可以概括如下：第一步，選定鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量作為目標(biāo)函數(shù)基礎(chǔ)參數(shù)并進(jìn)行初始化賦值；第二步，在ANSYS平臺(tái)中圍繞鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建立優(yōu)化參數(shù)模型，形成前處理、求解、以及后處理操作模塊，對(duì)內(nèi)力結(jié)果以及位移結(jié)果進(jìn)行讀取；第三步，以結(jié)構(gòu)建模為基礎(chǔ)，根據(jù)GET操作指令得到彎矩、軸力、剪力等力學(xué)響應(yīng)參數(shù)，并面向狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行賦值；第四步，根據(jù)LGWRITE操作指令輸出前一項(xiàng)中的參數(shù)化建模以及命令流文件；第五步，在ANSYS優(yōu)化模塊中引入前一步驟命令流文件，給出鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)關(guān)系，生成上限、下限值；第六步，根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)優(yōu)化以及循環(huán)控制方法并進(jìn)行優(yōu)化分析，反饋分析結(jié)果[2-3]。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某教學(xué)樓項(xiàng)目為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上層數(shù)為6層，單層層高為3．6m，框架結(jié)構(gòu)整體寬度37．0m，長(zhǎng)度62．0m，建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)，設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為二組，特征周期取值0．55s，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不納入對(duì)風(fēng)力荷載作用力的考量。結(jié)構(gòu)荷載取值情況為：樓面恒載作用力為2．0kN·m-2，活載作用力為2．5kN·m-2；屋面恒載作用力為2．6kN·m-2，活載作用力為0．5kN·m-2；梁體恒載作用力為8．0kN·m-2。在對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)前，相關(guān)構(gòu)件截面尺寸如下：第1～2層框架柱結(jié)構(gòu)尺寸為 800．0×800．0mm，主梁結(jié)構(gòu) 400．0×700．0mm，次 梁 結(jié) 構(gòu) 300．0×600．0mm； 第 3～4 層 框 架 柱 結(jié) 構(gòu) 尺 寸 為750．0×750．0mm，主梁、次梁結(jié)構(gòu)尺寸同前一致；第5～6層框架柱結(jié)構(gòu)尺寸為700．0×700．0mm，主梁、次梁結(jié)構(gòu)尺寸同前一致（62米）。

2.2 結(jié)構(gòu)建模

搭載ANSYS軟件進(jìn)行建模，采用整體式模型，假設(shè)滿足條件：①鋼筋在結(jié)構(gòu)呈均勻性分布；②混凝土間無(wú)相對(duì)滑移趨勢(shì)。梁體、柱體結(jié)構(gòu)選用BEAM189單元，板材結(jié)構(gòu)選用SHELL63單元。分別對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行恒載以及活載狀態(tài)下的受力情況分析，遵循現(xiàn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)規(guī)定，對(duì)荷載工況進(jìn)行組合，組合一為：1．2X（恒載作用力+0．5活載作用力）+1．3地震作用力，組合二維1．2X（恒載作用力+0．5活載作用力）-1．3地震作用力。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理模塊中指定前文中所述數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)變量以及狀態(tài)變量，對(duì)上限值以及下限值進(jìn)行約束，以總重量為目標(biāo)函數(shù)，按照零階方法進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化次數(shù)為30次。設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化前、優(yōu)化后各樓層具體情況如下：全部樓層B1主梁寬優(yōu)化前為400．0mm，優(yōu)化后為 308．1mm；H1 主梁高優(yōu)化前為 700．0mm，優(yōu)化后為623．7mm；B2次梁寬優(yōu)化前為300．0mm，優(yōu)化后為218．6mm；H2 次梁高優(yōu)化前為 600．0mm，優(yōu)化后為 503．7mm；第1～2層BB1柱截面優(yōu)化前為800．0mm，優(yōu)化后為851．6mm，HH1柱截面優(yōu)化前為800．0mm，優(yōu)化后為795．3mm；第3～4層BB2柱截面優(yōu)化前為750．0mm，優(yōu)化后為768．7mm，HH2柱截面優(yōu)化前為750．0mm，優(yōu)化后為673．8mm；第5～6層BB3柱截面優(yōu)化前為700．0mm，優(yōu)化后為586．5mm，HH3柱截面優(yōu)化前為 700．0mm，優(yōu)化后為 689．2mm。

2.4 結(jié)果分析

按照前文所述各樓層優(yōu)化后參數(shù)重新構(gòu)建分析模型，對(duì)目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比優(yōu)化前、優(yōu)化后混凝土結(jié)構(gòu)重量差異，優(yōu)化前混凝土總重量為5678．6t，優(yōu)化后混凝土總重量為4570．6t，節(jié)約比例為19．5%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可見(jiàn)，搭載ANSYS平臺(tái)對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠取得確切效果，在滿足項(xiàng)目建設(shè)需求的基礎(chǔ)之上最大限度降低目標(biāo)函數(shù)值，達(dá)到節(jié)約資源，控制造價(jià)的目的[4]。

3 結(jié)語(yǔ)

以上分析中搭載ANSYS平臺(tái)，對(duì)6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震條件作用下的受力情況進(jìn)行分析，并將梁體、柱體結(jié)構(gòu)尺寸作為自變量進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)合理優(yōu)化，能夠在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)對(duì)造價(jià)的控制與節(jié)約，證明應(yīng)用零階方法進(jìn)行鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有良好的可行性，僅供參考。