不同荷載工況下鋼筋混凝土深梁的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

張鵠志，王 熙，謝獻(xiàn)忠，楊彤麟，范 達(dá)

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201； 2.湖南科技大學(xué)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)與振動控制湖南省重點(diǎn)實驗室，湖南 湘潭 411201)

鋼筋混凝土深梁[1]作為一種高承載能力構(gòu)件，在高層建筑轉(zhuǎn)換層等荷載工況較復(fù)雜的部位已得到廣泛應(yīng)用。但荷載工況的復(fù)雜性，也讓深梁的受力機(jī)理比一般梁復(fù)雜得多，從而造成設(shè)計具有較大難度。有時為了方便管道通過可能會在深梁腹部開洞，使其配筋設(shè)計變得更為困難[2]。為應(yīng)對這一問題，美國ACI 318-14《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]推薦壓桿-拉桿模型方法，有不少國內(nèi)外學(xué)者基于這種應(yīng)力設(shè)計方法開展了相應(yīng)的機(jī)理探討[4]和試驗研究[5-6]。而我國GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[7]在附錄G深受彎構(gòu)件的設(shè)計參考條文中給出了參照一般梁并經(jīng)驗性修正后的設(shè)計方法。2種方法中，前者缺乏不同荷載工況條件下的針對性，缺少可靠的壓桿-拉桿模型構(gòu)建方法，同時實用性也有待提高；后者則力學(xué)依據(jù)模糊，設(shè)計合理性明顯不足。

隨著計算機(jī)技術(shù)的日新月異，拓?fù)鋬?yōu)化[8-9]的飛速發(fā)展和大量相關(guān)的應(yīng)用研究為設(shè)計領(lǐng)域打開了一扇門，從早期的基結(jié)構(gòu)法[10]、均勻化法[11]，到變密度法[12]、變厚度法[13]，再到近期的漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化(ESO)法[14]和固體各向同性材料懲罰模型(簡稱SIMP)法[15]，都展現(xiàn)出良好的工程應(yīng)用前景。尤其是ESO和SIMP，直觀而穩(wěn)定的優(yōu)化進(jìn)程、高效的進(jìn)化方式和良好的尋優(yōu)能力讓它們在眾多拓?fù)鋬?yōu)化方法中脫穎而出，從而關(guān)于它們，無論是基于全局尋優(yōu)能力提升的算法改進(jìn)[16-18]，還是出于工程設(shè)計與優(yōu)化理論銜接的應(yīng)用研究[19-20]都成為研究熱點(diǎn),為鋼筋混凝土深梁的拓?fù)鋬?yōu)化和工程設(shè)計提供了一條全新思路。

本文以拓?fù)鋬?yōu)化算法為工具，展開不同荷載工況條件下鋼筋混凝土開洞深梁的拓?fù)鋬?yōu)化和工程設(shè)計研究，以期建立合理的力學(xué)模型，掌握相應(yīng)的力學(xué)機(jī)理，最終能為相關(guān)工程設(shè)計提供參考。

1 不同集中加載工況下開洞深梁的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對比

通過逐步刪除低效材料或增加高效材料，使結(jié)構(gòu)向最優(yōu)化解演化，這是漸進(jìn)演化類拓?fù)鋬?yōu)化算法尋找結(jié)構(gòu)最優(yōu)拓?fù)涞幕舅枷搿＜?xì)化到不同類別時，總體優(yōu)化目標(biāo)、刪除或增加單元的準(zhǔn)則、優(yōu)化單元依據(jù)的靈敏度以及最優(yōu)結(jié)構(gòu)判定標(biāo)準(zhǔn)就存在一定差別。例如加窗漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化(WESO)法[21]，一般以單元應(yīng)力或應(yīng)變能密度為靈敏度，設(shè)定自適應(yīng)單元刪除率窗口，在不斷迭代中刪除低效和無效材料，演化出滿足最小自重、最大剛度或應(yīng)力均勻化等總體目標(biāo)的結(jié)構(gòu)最優(yōu)拓?fù)洹?/p>

本節(jié)以單側(cè)開洞深梁為例，主要討論不同加載位置引起的構(gòu)件最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差別以及相應(yīng)的力學(xué)原因。數(shù)值算例均以ANSYS有限元軟件為平臺，選用PLANE82單元對材料的線彈性行為進(jìn)行模擬，在ANSYS的APDL功能下編寫程序?qū)崿F(xiàn)WESO，以求得的拓?fù)浣庾鳛閷Ρ妊芯康幕緮?shù)據(jù)。

1.1 基本參數(shù)

算例的結(jié)構(gòu)尺寸為2 000 mm×1 000 mm，兩端均設(shè)有120 mm寬的固定鉸支座，梁左側(cè)腹部開設(shè)一個洞口，洞口尺寸為400 mm×400 mm。算例包括5種單點(diǎn)集中加載工況：加載點(diǎn)位于梁頂近洞口側(cè)、梁跨中頂部、梁頂遠(yuǎn)洞口側(cè)、梁跨中腹部以及梁跨中底部，具體構(gòu)件尺寸參數(shù)及荷載工況如圖1所示，加載點(diǎn)下設(shè)有100 mm寬的剛性墊塊以防止構(gòu)件局部承壓破壞。

圖1 單側(cè)開洞深梁在不同位置單點(diǎn)集中加載工況下的初始設(shè)計域(單位：mm)Fig.1 Initial design domain for deep beams with openings on one side under single-point concentrated loading conditions at different positions (units: mm)

1.2 最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

以圖1(b)工況Ⅱ下的拓?fù)鋬?yōu)化為例，簡述WESO的拓?fù)鋬?yōu)化過程。初始拓?fù)淙鐖D2(a)所示，圖2(b)～(f)分別為優(yōu)化至刪除率為17%、34%、44%和58%時對應(yīng)的拓?fù)鋱D，圖2(f)為尋得的最優(yōu)拓?fù)?刪除率為92%)。由圖2(a)(b)(c)可以看出，優(yōu)化初期主要集中在右端的頂部和跨中的下腹，緊接著開始優(yōu)化左端頂部和右側(cè)底部；從圖2(d)(e)可以看出，隨著迭代次數(shù)增加，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯著沿著壓力和拉力的傳遞路徑向桿系結(jié)構(gòu)演化，至圖2(f)所示的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，右側(cè)部分已完全演化為一根斜直壓桿，左側(cè)受洞口影響，演化出瓶形組合壓桿。

圖2 單側(cè)開洞深梁在單點(diǎn)集中加載工況Ⅱ下的拓?fù)鋬?yōu)化過程Fig.2 Topology optimization process of deep beam with opening on one side under single-point concentrated loading condition Ⅱ

其他工況下的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖3可以看出，不同的單點(diǎn)集中加載工況下最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均顯著表現(xiàn)為由直桿組合而成的桿系結(jié)構(gòu)，這在反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部最直接傳力路徑的同時，也為建立闡釋其受力機(jī)理的壓桿-拉桿模型等力學(xué)模型提供了參考依據(jù)。

圖3 單側(cè)開洞深梁在其他單點(diǎn)集中加載工況下的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Optimal topology structures of deep beams with openings on one side under other single-point concentrated loading conditions

1.3 壓桿-拉桿模型

圖4為依據(jù)第1.2節(jié)最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立的壓桿-拉桿模型。從圖4(a)(b)(c)可以看出，當(dāng)深梁承受頂部的集中荷載時，梁體內(nèi)均以壓力形式分別向兩端底部的固定鉸支座傳遞，未開洞的右側(cè)即為斜直桿，受開洞影響而無法直接傳遞壓力的左側(cè)則構(gòu)造變換出從洞口兩側(cè)分化傳遞的折線壓桿，僅圖4(a)工況Ⅰ下因繞過洞口右下方的折線壓桿向左端底部固定鉸支座傳力有一定困難，因而表現(xiàn)出一些局部特性，即在集中加載點(diǎn)附近的梁頂區(qū)域形成類Michell桁架體系以幫助這根洞口右下方的折線壓桿的傳力。從圖4(d)可以看出，當(dāng)深梁承受跨中腹部的集中荷載時，由左側(cè)繞過洞口左上方的折線壓桿、頂部的弧形壓桿和右側(cè)的斜直壓桿構(gòu)成一個主受壓結(jié)構(gòu)，跨中腹部的集中荷載通過傘狀拉桿懸吊在這個主受壓結(jié)構(gòu)上，而洞口右下方因還存在直接向左端底部固定鉸支座直接傳遞部分壓力的條件，故留有一條次要折線壓桿。從圖4(e)可以看出，當(dāng)深梁承受跨中底部的集中荷載時，在洞口上下各形成了一道近似壓拱的結(jié)構(gòu)，集中荷載則通過傘狀拉桿懸吊在這兩道近似壓拱結(jié)構(gòu)上。

(虛線表示拉桿；實線表示壓桿)圖4 單側(cè)開洞深梁在不同位置單點(diǎn)集中加載工況下的壓桿-拉桿模型Fig.4 Strut-and-Tie models of deep beams with openings on one side under single-point concentrated loading conditions at different positions

1.4 最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差異原因分析

Michell準(zhǔn)則通常被視為結(jié)構(gòu)獲取滿應(yīng)力狀態(tài)的理論描述，其認(rèn)為滿應(yīng)力解中2個主應(yīng)變同號的點(diǎn)，可在其鄰域內(nèi)沿任意方向布置桿件；2個主應(yīng)變異號的點(diǎn)處的桿件必須正交。由此，Michell桁架解須滿足所有相交的壓桿和拉桿保持正交。圖5(a)和(b)分別為跨高比為2的兩端固定鉸支深梁(未開設(shè)洞口)在跨中梁頂和跨中腹部作用集中荷載的Michell桁架解。

圖5 跨高比為2的兩端固定鉸支深梁 單點(diǎn)加載時的Michell桁架解Fig.5 Michell truss solutions of deep beams supported by fixed hinge at both ends with pan height ratio of 2 and single-point loading

由圖5(a)可知，集中荷載作用在梁頂時形成的Michell結(jié)構(gòu)為三角桁架，即荷載以壓力的形式從加載點(diǎn)向兩端支座直接傳遞，因而圖4(a)(b)(c)的右側(cè)均表現(xiàn)為這樣的傳力方式，而它們的左側(cè)則因洞口的存在而無法直線傳力，則完成相應(yīng)的力學(xué)構(gòu)造變換，以瓶形組合壓桿的形式代替三角桁架中的直壓桿。仔細(xì)觀察圖4(a)(b)(c)的差別可以發(fā)現(xiàn)，圖4(b)左側(cè)洞口上下的折線壓桿基本關(guān)于洞口對稱，故該側(cè)的瓶形組合壓桿也表現(xiàn)為軸對稱形態(tài)；圖4(c)左側(cè)洞口右下方的折線壓桿更接近直線，因而成為該側(cè)的主壓桿，故該側(cè)的瓶形組合壓桿也表現(xiàn)為偏向右下方的不對稱形態(tài)；而圖4(a)不僅左側(cè)洞口左上方的折線壓桿更接近直線，成為該側(cè)的主壓桿，而且洞口右下方的折線壓桿回折的角度較大，使其向左端底部固定鉸支座傳遞壓力的能力極其有限，隨之在洞口上方演化出一個水平梭形的類Michell桁架體系來跨越洞口，同時也保障兩側(cè)主壓桿的傳力角度。由此可見，圖4(a)(b)(c)均為從Michell結(jié)構(gòu)變換而得的力學(xué)體系。

由圖5(b)可知，集中荷載作用在梁腹時形成的Michell結(jié)構(gòu)為以兩側(cè)斜直壓桿和頂部弧形壓桿為主壓桿，輔以加載點(diǎn)至該主壓桿的傘狀拉桿組成的桁架體系。顯然，圖4(d)十分接近該Michell結(jié)構(gòu)，僅左側(cè)洞口右下方表現(xiàn)出局部與圖4(b)類似的折線壓桿特征。而且根據(jù)集中荷載作用點(diǎn)從跨中梁頂向跨中梁腹移動所引起的從圖5(a)向圖5(b)的變化，不難推斷集中荷載作用在梁底時形成的Michell桁架解為主拱圈輔以加載點(diǎn)至該主拱圈的傘狀拉桿組成的體系，且圖4(e)正符合這樣的Michell結(jié)構(gòu)。

2 不同荷載集度工況下開洞深梁的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對比

以第1節(jié)的單側(cè)開洞深梁為算例，探討降低荷載集度，即從集中荷載逐漸向均布荷載轉(zhuǎn)化引起的構(gòu)件最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差別及相應(yīng)的原因，分析及優(yōu)化參數(shù)均與第1節(jié)相同。

算例包括3種不同的荷載集度工況，分別為2點(diǎn)集中加載工況(每點(diǎn)集中荷載大小為79.7 kN)，3點(diǎn)集中加載工況(每點(diǎn)集中荷載大小為51.6 kN)與均布荷載工況(荷載大小為106.4 kN/m)，并與圖1(b)所示的單點(diǎn)集中加載工況進(jìn)行對比，荷載值的選取是出于跨中彎矩等效的原則，具體構(gòu)件尺寸參數(shù)及荷載工況如圖6所示，未表明的其他參數(shù)均與第1節(jié)相同。

圖6 單側(cè)開洞深梁在不同荷載集度工況下的初始設(shè)計域(單位：mm)Fig.6 Initial design domain for deep beams with openings on one side under different load concentration conditions (units: mm)

圖7為單側(cè)開洞深梁在不同荷載集度工況下的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖8為依據(jù)這些最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立的壓桿-拉桿模型。比較圖2(f)和圖7可以看出，隨著梁頂荷載集度的降低，深梁內(nèi)部傳遞荷載至兩端支座的主受壓結(jié)構(gòu)從桁架結(jié)構(gòu)向拱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，當(dāng)某側(cè)的主壓桿受到開洞影響時，則構(gòu)造變換出瓶形壓桿在該口兩側(cè)繞過該洞口，以保證該側(cè)的壓力傳遞。由圖5(a)中給出的梁頂單點(diǎn)集中加載工況下的Michell桁架解，再結(jié)合節(jié)點(diǎn)力的平衡關(guān)系可以推斷，在主受壓結(jié)構(gòu)上，每一點(diǎn)集中力的匯入，在其作用處形成一個節(jié)點(diǎn)，即改變該處壓桿的角度。因此，從圖4(b)到圖8，壓桿-拉桿模型從桁架結(jié)構(gòu)向拱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的原因就比較清楚了，而關(guān)于在洞口附近構(gòu)造變換出瓶形壓桿的原因在第1.3節(jié)和第1.4節(jié)已進(jìn)行了相應(yīng)的解釋，此處不再贅述。

圖7 單側(cè)開洞深梁在不同荷載集度工況下的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 Optimal topology structures of deep beams with openings on one side under different load concentration conditions

(虛線表示拉桿；實線表示壓桿)圖8 單側(cè)開洞深梁在不同荷載集度工況下的壓桿-拉桿模型Fig.8 Strut-and-Tie models of deep beams with openings on one side under different load concentration conditions

3 不同荷載工況條件下鋼筋混凝土深梁設(shè)計建議

利用漸進(jìn)演化類拓?fù)鋬?yōu)化算法獲取深梁在不同荷載工況下的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并據(jù)之建立相應(yīng)的壓桿-拉桿模型，同時分析也表明這些力學(xué)模型都是出于滿應(yīng)力分布，滿足Michell準(zhǔn)則的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從而使鋼筋混凝土深梁的設(shè)計有了可參考且可靠的力學(xué)依據(jù)，以下給出具體設(shè)計建議：

a.當(dāng)有較大的單點(diǎn)集中荷載作用在鋼筋混凝土深梁頂面時，應(yīng)在加載點(diǎn)與支座連線上設(shè)計配筋加強(qiáng)的斜直壓桿。當(dāng)梁體上開設(shè)了洞口且該洞口又阻礙了加載點(diǎn)與支座連線上斜直壓桿的設(shè)置時，又分為2種情況：(a)加載點(diǎn)在洞口近端，這種情況下可以小幅增大斜直壓桿的傾角α，同時在洞口上方設(shè)置類過梁區(qū)連接主壓桿的頂端，如圖9(a)所示，由此規(guī)避洞口對配筋的影響，保證壓桿的直線傳力；(b)加載點(diǎn)離洞口有一定的距離，這種情況下可將與洞口同側(cè)的加載點(diǎn)至支座連線上的壓桿設(shè)計成涵蓋洞口的瓶形壓桿，如圖9(b)所示，但此時洞口內(nèi)側(cè)上方和外側(cè)下方的箍筋或斜拉鋼筋要進(jìn)行構(gòu)造加強(qiáng)。

b.當(dāng)單點(diǎn)集中荷載作用在鋼筋混凝土深梁腹部或底部時，應(yīng)在作用點(diǎn)布置向上的傘狀受拉鋼筋，如圖9(c)所示。

c.當(dāng)單點(diǎn)集中荷載作用在鋼筋混凝土深梁下腹或梁底，又或者均布荷載作用在鋼筋混凝土深梁上時，特別是后者，應(yīng)在梁體內(nèi)設(shè)置一道甚至多道暗藏主拱圈來受壓，如圖9(d)所示；當(dāng)梁體上開設(shè)洞口影響了主拱圈直接傳力時，受影響的拱圈部分可等代為組合壓桿，形成拱-組合壓桿的受壓組合體系，如圖9(e)所示。

圖9 不同荷載工況條件下鋼筋混凝土深梁設(shè)計建議Fig.9 Design suggestions for RC deep beams under different load conditions

此外，漸進(jìn)演化類拓?fù)鋬?yōu)化算法從構(gòu)件內(nèi)部傳力機(jī)制出發(fā)，設(shè)計的配筋多集中在彈性應(yīng)力較大的部位，出于對構(gòu)件彈塑性受力特性的考慮，同時從正常使用極限狀態(tài)的角度出發(fā)，在優(yōu)化設(shè)計的“空白處”還需要添加一些最低構(gòu)造要求的分布鋼筋。

4 結(jié) 論

a.利用漸進(jìn)演化類拓?fù)鋬?yōu)化算法可以尋得不同荷載工況條件下鋼筋混凝土深梁的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依據(jù)這些最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以建立起壓桿-拉桿模型，且經(jīng)證明，這些最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和壓桿-拉桿模型均較為符合滿應(yīng)力分布的Michell結(jié)構(gòu)。

b.單點(diǎn)集中荷載作用在鋼筋混凝土深梁頂面時，最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表現(xiàn)為通過最短直線壓桿向支座傳力的形態(tài)；單點(diǎn)集中荷載作用在鋼筋混凝土深梁底部時，最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主壓拱和在該拱上懸吊集中力的傘狀拉桿。當(dāng)梁體上開設(shè)洞口影響了壓桿的直線傳力時，則可將直壓桿構(gòu)造變換成受力等效的，繞過洞口的瓶形壓桿。

c.隨著鋼筋混凝土深梁上荷載集度的降低，最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從桁架結(jié)構(gòu)向拱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。

d.可以依據(jù)漸進(jìn)演化類拓?fù)鋬?yōu)化算法的結(jié)果，按不同的荷載工況條件在鋼筋混凝土深梁內(nèi)部設(shè)計隱藏的受壓加強(qiáng)構(gòu)件或配置有針對性的受拉鋼筋，從而完成不同荷載工況條件下鋼筋混凝土深梁的工程優(yōu)化設(shè)計。