基于Ansys 程序的钢结构优化设计的研究

海 涛 王 茹

（西安建筑科技大学，陕西 西安710055）

近年来我国钢材产量连年位居世界第一，导致钢结构发展十分迅猛，但是我国钢结构的应用范围和国际还有很大差距；目前我国钢结构的应用范围还局限在航站楼、会展中心、体育场馆和工业厂房，而民用建筑主要还是采用钢筋混凝土结构，目前我国政府从政策上大力倡导民用建筑钢结构化，但是很多设计人员对钢结构的设计理念不是很了解，部分结构工程师对钢结构体系概念不清楚，对节点构造和楼板铺设方向对结构的影响和楼板平面刚度不够重视。

钢结构设计首先应该进行结构布置，布置原则符合以下要求。 建筑平面宜简单，规则、对称和开展；尽量让水平荷载合力作用线与结构刚心重合；支撑在结构平面两个方向布置要对称，框筒结构柱距在1.5米和3 米之间，在结构平面拐角处不布置楼梯间和电梯间；尽量不设置变形缝。尽量让结构平面规整，由于建筑设计的需要必须设缝时，要少设缝；结构立面尽量沿高度方向均匀变化；结构刚度在竖直方向要均匀连续避免突变；超过十二层的钢结构要设置地下室；结构的最大高度不得超过结构的最大高度限制值。

结构布置以后进行结构受力分析，要按照以下原则进行结构受力模型的建立。 结构的作用效应按照弹性理论计算，截面设计时候考虑塑性影响；假定楼面刚度在自身平面内卫无穷大；结构计算模型一般采用平面模型，结构复杂无法按照平面模型计算时候，应用空间结构计算模型；柱间支撑两端为刚性连接；应该考虑重量荷载引起的竖向构件差异缩短所产生的影响；内力分析时候应考虑温度变化引起竖向构件差异缩短所产生的影响。

结构内力计算借助计算机来完成。结构在风载和地震作用下产生水平位移时候， 竖向荷载将会加大结构的水平位移导致建筑整体失稳，因此高层钢结构内力计算必须考虑这种影响。

钢结构应该进行抗震设计，钢结构应该满足小震不坏，中震可修，大震不倒。 为此钢结构应该进行多遇地震作用下的弹性分析，验算构件承载力和结构层间侧移，其次进行钢结构在罕遇地震作用下的弹塑性分析，验算结构层间侧移。 钢结构的地震作用的计算方法是底部剪力法，振型分解反应谱法和时程分析法。钢结构的承载力应该放大，因为地震是一种偶然作用并不是时时发生。

钢结构还要抗风设计， 因为长时间的震动会导致结构疲劳而破坏，结构在风载作用下发生的变形较大会导致填充墙开裂，建筑玻璃幕墙会因较大风压而破坏，风振加速度过大会让使用者不安。《高层民用建筑钢结构技术规程》要求钢结构顶层质心位置侧移不超过建筑高度的1/500，还可以通过限制顶点最大加速度来满足人的舒适度。

钢结构构件一般采用工字型截面，考虑混凝土与钢材的组合作用将大大改善钢结构的工作性能，通过在钢梁上面焊接栓钉使混凝土楼板和钢梁共同工作形成钢-混凝土组合梁，所用的材料没有增加多少，但是构件的承载力和刚度会增加一倍以上，由于混凝土楼板与钢梁可靠连接，从而钢梁不会发生整体稳定破坏，而是发生强度破坏，可以充分利用钢材强度高的优势，使材料的性能达到最大限度的利用，这样结构的自重也会大大降低，从而结构受到的地震作用大大降低，钢柱可以采用钢管混凝土柱， 钢管由于混凝土的阻碍大大提高了稳定性，混凝土由于钢管的握裹，强度提高较多，塑性提高更多，从而吸收较大的地震能量，是一种极好的抗震构件截面形式。

钢材比混凝土贵得多，对钢结构进行优化设计很有必要，即设计的钢结构不但安全，而且钢材的用量还要尽可能的少，优化设计的种类大致有以下几种：

1）基础优化：同一个建筑可用的基础形式有多种，比方独立基础，条形基础，筏板基础，桩基础，应该进行基础方案的比较，选择一种既安全又经济的基础形式。

2）高层建筑抗风力体型的的优化：风载和建筑立面体型密切相关，美国西尔斯大厦是全钢结构，高443 米，对大厦立面进行优化设计以使得建筑承受的风载尽可能小，钢材采用Q345 钢，钢材用量159kg/m.m2,舒适度的限值远远高于我国钢结构规范的规定值。

3）楼层刚度优化：采用钢-混凝土组合楼盖，大大提高楼层刚度，起到减少层间位移的目的。

4）节点优化：节点设计不合理会直接导致钢结构在地震中倒塌，为了抗震，现在尽量减小节点的刚度，让节点的变形在地震中较大的发展，保证建筑歪而不倒。

5）应力优化：使得应力接近强度设计值避免浪费。

现在人们主要应用的是通过软件减小构架截面， 即是应力优化，目前最常用的是Ansys 程序，大致分为以下几个步骤：

1 基于APDAL 优化设计原理

将有限单元法与优化方法结合，形成Ansys 优化模块,通过三大变量来实现优化过程。

1）设计变量：设计中需要不断调整数值的设计变量，比方构件的截面尺寸；

2）状态变量：是设计变量的函数，比方构件的应力小于应力允许值，结构的位移不超过规范的规定；

3）目标函数：设计变量的函数，比方结构的总重量最小。

2 优化过程

2.1 构建优化分析文件

1）参数化建模。 将要参与优化设计的设计变量初始化，建立参数化分析模型；

2）加载和求解。 在求解器中对分析模型进行加载和求解；

3）参数化提取结果。提取结构分析模型的计算结果并赋值给状态变量和目标函数；

4）建立分析文件。 通过LGWRITE 命令生成分析文件。

2.2 建立优化控制文件

1）进入优化设计模块，指定优化分析文件；

2）声明优化变量；

3）选择优化方法并进行优化分析；

4）进行优化参数评价。

2.3 根据已完成的优化循环修改优化变量重新优化设计

2.4 查看设计结果

3 建立钢框架结构参数化有限元模型

图1 BEAM188 线性有限应变梁的几何示意图

表1

钢梁和钢柱采用BEAM188 单元，BEAM188 单元是空间的3-D梁单元，在单元输出时能获得框架梁、柱内力分析数据。 BEAM188 是线性单元， 该单元仅有一个沿轴线方向并且位于梁的中点的积分点。选取BEAM188 单元来模拟框架中的梁、柱。

梁单元BEAM188 要定义截面库中的单元截面，允许用户自定义横截面。BEAM188 单元增加了单元方向关键点的定义，用来进行梁单元横截面主轴的定位。

4 建立钢框架结构优化模型

4.1 设计变量：钢梁的翼缘的宽度和厚度，腹板的宽度和厚度；钢柱的翼缘的宽度和厚度，腹板的宽度和厚度

4.2 目标函数：一榀钢框架结构的总重量

4.3 状态变量：强度和稳定约束条件，刚度约束条件

5 算例

某两跨四层钢框架结构，跨度分为6.6 米和6.3 米，基础顶面和室外地面距离1.25 米，梁柱采用焊接工字型截面，Q235 钢，楼面采用钢筋混凝土结构， 外墙和内墙采用混凝土轻质砌块分为200mm 和100mm，基本风压和基本雪压为0.4 千牛每平方米，楼层活载标准值为2.0 千牛每平方米，屋面活载为1.5 千牛每平方米，采取一阶方法，迭代29 次后停止，第29 次为最优设计序列，下表列出原设计方案和优化设计方案的结果，可见采用优化设计，减少了钢材的用量，降低了结构的造价。