高层偏心支撑钢框架的优化设计
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摘要
高层偏心支撑钢框架结构是近十几年发展起来的一种新型抗震结构，在大震作用下它具有很好的耗能能力。为了使结构在满足抗震设计的“三水准”要求和各种功能的条件下，单位用钢量少，造价低。本文首先对高层偏心支撑钢框架结构的抗震参数和耗能梁段进行分析研究，建立合理的屈服机制和屈服模型，阐述了其设计计算原理及方法。然后，利用现有的优化设计方法对结构进行优化设计。
考虑到型钢截面的离散化和规格化，本文对高层偏心支撑钢框架结构优化提出一种近似的处理方法，即先用准则法求得连续变量最优点，然后将其结果作为混合离散变量直接搜索法的初始点进行第二步优化。其中各杆件截面最终从离散集合中选取。方法的基本思路使在满足各项约束条件下，尽量使各杆件截面最小，即达到经济的目的，先求得可行的连续优化解，最后求出离散优化解。用C++语言把整个优化过程变成了程序，并计算了一些算例，结果表明，迭代次数相对不多，收敛过程很稳定，该方法用于高层偏心支撑钢框架优化是可行的，而且稍作改动，该方法也适用于其它结构。
Eccentrically braced steel frame(EBSF) used in high-rise buildings is a new structural anti-seismic system which is developed in recent years. It performs excellent energy-consuming ability when bearing unwonted earthquake. To make EBSF meet needs of "three-level" in the anti-seismic system and meet all functions; to make the steel volume least and reduce structure cost. Firstly, this paper focuses on the research and theory of anti-seismic parameters of EBSF and active beam link, establish rational mechanism and yielding model of the structure, set forth the design principle and method of it. Then, using the method of optimal design, a computer-based method is presented for optimal design of EBSF used in high-rise buildings.
Concerned the discrete area of the steel shape, a method is presented: searching the best solution of continual variable first by criteria ,and next searching optimal solution by direct-searching method of mixed variable on the original point of the continual result. The motive is to make the steel volume least, reduce structure cost. Member sizes may be chosen form discrete aggregate. The principal idea is to search the discrete optimal solution on the base of the continual optimal solution under meeting every restrict condition.
Program designed with C++ language is used to conduct the optimal process and two numerical examples are calculated using the program. The results show that the number of iteration is small and the convergence process is also stable. The show also the method is suitable to EBSF used in high-rise building. Furthermore, the flexibility of this method may make it apply in other structures.
考虑到型钢截面的离散化和规格化，本文对高层偏心支撑钢框架结构优化提出一种近似的处理方法，即先用准则法求得连续变量最优点，然后将其结果作为混合离散变量直接搜索法的初始点进行第二步优化。其中各杆件截面最终从离散集合中选取。方法的基本思路使在满足各项约束条件下，尽量使各杆件截面最小，即达到经济的目的，先求得可行的连续优化解，最后求出离散优化解。用C++语言把整个优化过程变成了程序，并计算了一些算例，结果表明，迭代次数相对不多，收敛过程很稳定，该方法用于高层偏心支撑钢框架优化是可行的，而且稍作改动，该方法也适用于其它结构。
Eccentrically braced steel frame(EBSF) used in high-rise buildings is a new structural anti-seismic system which is developed in recent years. It performs excellent energy-consuming ability when bearing unwonted earthquake. To make EBSF meet needs of "three-level" in the anti-seismic system and meet all functions; to make the steel volume least and reduce structure cost. Firstly, this paper focuses on the research and theory of anti-seismic parameters of EBSF and active beam link, establish rational mechanism and yielding model of the structure, set forth the design principle and method of it. Then, using the method of optimal design, a computer-based method is presented for optimal design of EBSF used in high-rise buildings.
Concerned the discrete area of the steel shape, a method is presented: searching the best solution of continual variable first by criteria ,and next searching optimal solution by direct-searching method of mixed variable on the original point of the continual result. The motive is to make the steel volume least, reduce structure cost. Member sizes may be chosen form discrete aggregate. The principal idea is to search the discrete optimal solution on the base of the continual optimal solution under meeting every restrict condition.
Program designed with C++ language is used to conduct the optimal process and two numerical examples are calculated using the program. The results show that the number of iteration is small and the convergence process is also stable. The show also the method is suitable to EBSF used in high-rise building. Furthermore, the flexibility of this method may make it apply in other structures.
引文
[1] 方鄂华、叶列平，高层建筑结构设计，中国建筑工业出版社，2003。
[2] 张家旭、张庆芳等，钢结构，中国铁道出版社，2002。
[3] 王国周，中国钢结构五十年，建筑结构，1999，10。
[4] 陈富生、邱国桦、范重，高层建筑钢结构设计，中国建筑工业出版社，2000。
[5] 刘大海、杨翠如，高层建筑结构方案优选，中国建筑工业出版社，1996。
[6] 吴静，高层偏心支撑钢框架的弹性分析硕士论文，西南交通大学，2003。
[7] 《高层民用建筑设计防火规范》(GBJ45—82)，中国建筑工业出版社，1982。
[8] 雷春浓，现代高层建筑设计，中国建筑工业出版社，1997。
[9] 赵西安，现代高层建筑结构设计，科学出版社，2000。
[10] 李新华等，偏心支撑钢框架的设计探讨，工业建筑，2001，31(8)。
[11] 朱伯芳、黎眉展，结构优化设计原理与应用，水利水电出版社，1984。
[12] 系列教材编写委员会，高层建筑钢结构，中国建筑工业出版社，2000。
[13] 易方民，高层建筑偏心支撑钢框架结构抗震性能和设计参数研究，中国建筑科学研究院博士学位论文，2000。
[14] Charles W. Roeder and Egor P. Popov, Eccentrically Braced SteelFrames for Earthquakes, Journal of the Struetttral Division, ASCE,
[15] 钱稼茹、陈茂盛、张天申，偏心支撑钢框架在水平力作用下的试验研究和极限分析，建筑结构，1993，4．
[16] 陈岳辉，我国轻钢结构设计软件介绍，上海宝钢工业设计，2001，2。
[17] 张晓晨，多层轻钢结构的优化设计，硕士论文，西南交通大学，2003。
[18] 刘大海、杨翠如、钟锡根，高层建筑抗震设计，中国建筑工业出版社，1993。
[19] 建筑抗震设计规范实施手册，建筑工业出版社，2002
[20] 李君，巨型钢框架结构非线性静、动力分析，博士学位论文，哈尔滨建筑大学，1999。
[21] 罗乃东，基于可靠度的高层、高耸结构的抗风发分析，博士学位论文，大连理工大学，2001。
[22] 李创新，高层建筑与高耸结构抗风设计评述，广西大学学报，1996，4。
[23] 周晓峰，巨型钢框架结构的静力、抗震抗风分析，博士论文，浙江大学，2001。
[24] 易方民、高小旺等，高层建筑偏心支撑钢框架构件参数的研究，建筑科学，2000，6。
[25] 董志钢，世界H型钢与钢轨生产技术，冶金工业出版社，1999。
[26] 罗邦富、魏明钟等，钢结构设计手册，中国建筑工业出版社，1989。
[27] 刘惟信，机械最优化设计，清华大学出版社，1994。
[28] 张炳华，候。土建结构优化设计，同济大学出版社，1989。
[29] 王光远，董明耀，结构优化设计，高等教育出版社，1987。
[30] 隋允康、林永明，含梁结构离散断面的优化及其对平面框架的程序实现，计算结构力学及其应用，1987，4。
[31] 余俊、周济，优化方法程序库OPB—1—原理及使用说明，机械工业出版社，1989。
[32] 陈立周，路鹏等，工程离散变量优化设计方法，机械工业出版社，1989。
[33] 朱伯芳，有限单元法原理与应用，水利水电出版社，1979。
[34] 刘尔烈，有限单元法及程序设计，天津大学出版社，1999。
[2] 张家旭、张庆芳等，钢结构，中国铁道出版社，2002。
[3] 王国周，中国钢结构五十年，建筑结构，1999，10。
[4] 陈富生、邱国桦、范重，高层建筑钢结构设计，中国建筑工业出版社，2000。
[5] 刘大海、杨翠如，高层建筑结构方案优选，中国建筑工业出版社，1996。
[6] 吴静，高层偏心支撑钢框架的弹性分析硕士论文，西南交通大学，2003。
[7] 《高层民用建筑设计防火规范》(GBJ45—82)，中国建筑工业出版社，1982。
[8] 雷春浓，现代高层建筑设计，中国建筑工业出版社，1997。
[9] 赵西安，现代高层建筑结构设计，科学出版社，2000。
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[13] 易方民，高层建筑偏心支撑钢框架结构抗震性能和设计参数研究，中国建筑科学研究院博士学位论文，2000。
[14] Charles W. Roeder and Egor P. Popov, Eccentrically Braced SteelFrames for Earthquakes, Journal of the Struetttral Division, ASCE,
[15] 钱稼茹、陈茂盛、张天申，偏心支撑钢框架在水平力作用下的试验研究和极限分析，建筑结构，1993，4．
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[17] 张晓晨，多层轻钢结构的优化设计，硕士论文，西南交通大学，2003。
[18] 刘大海、杨翠如、钟锡根，高层建筑抗震设计，中国建筑工业出版社，1993。
[19] 建筑抗震设计规范实施手册，建筑工业出版社，2002
[20] 李君，巨型钢框架结构非线性静、动力分析，博士学位论文，哈尔滨建筑大学，1999。
[21] 罗乃东，基于可靠度的高层、高耸结构的抗风发分析，博士学位论文，大连理工大学，2001。
[22] 李创新，高层建筑与高耸结构抗风设计评述，广西大学学报，1996，4。
[23] 周晓峰，巨型钢框架结构的静力、抗震抗风分析，博士论文，浙江大学，2001。
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[26] 罗邦富、魏明钟等，钢结构设计手册，中国建筑工业出版社，1989。
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[28] 张炳华，候。土建结构优化设计，同济大学出版社，1989。
[29] 王光远，董明耀，结构优化设计，高等教育出版社，1987。
[30] 隋允康、林永明，含梁结构离散断面的优化及其对平面框架的程序实现，计算结构力学及其应用，1987，4。
[31] 余俊、周济，优化方法程序库OPB—1—原理及使用说明，机械工业出版社，1989。
[32] 陈立周，路鹏等，工程离散变量优化设计方法，机械工业出版社，1989。
[33] 朱伯芳，有限单元法原理与应用，水利水电出版社，1979。
[34] 刘尔烈，有限单元法及程序设计，天津大学出版社，1999。