多种截面杆件的结构抗风优化设计方法

【摘要】高层建筑抗风优化设计包括拓扑优化、形状优化和尺寸优化，其中尺寸优化研究较为成熟，其研究成果被广泛应用于实际工程中。结构抗风尺寸优化[1]的其实是在满足结构各类安全指标要求的前提下，通过改变杆件尺寸使目标函数最小化的优化设计。对于已往的研究，仅仅对单一材料杆件且杆件截面类型相对较少的模型展开研究，但实际上，超高层建筑通常涉及到的杆件截面类型往往较多，包括钢管混凝土、箱型截面、工字型截面等在实际超高层建筑结构中常用的。因此，本文考虑对多种截面杆件的结构的研究非常有必要，将有利于实际工程抗风优化设计。

【关键词】超高层；尺寸优化；理想模型；杆件截面

在文献[2]中，推导并验证了圆钢管混凝土截面、箱型截面、工字型截面的位移函数。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[3]对在风荷载作用下的结构位移作了相应的限制要求， 顶层水平位移与建筑高度之比限值为1/550，层间位移与层高之比限值为1/550。本章以一个21层三维框架结构为例子，见图1（a）、（b）包含圆钢管混凝土柱、矩形截面梁、箱型截面梁、工字型截面梁采用OC[4-6]法来进行结构优化。

1、案例分析

一个21层框架结构包含圆钢管混凝土柱、矩形截面梁、箱形截面梁，工字形截面梁开展建筑结构抗风优化研究。图2-2给出了优化的有限元模型，建筑总高为69.3米，层高为3.3米，X和Y方向跨度均为6米，杆件布置具体见表2，材料为钢材和混凝土两种材料组成的圆钢管混凝土截面，其中混凝土强度为C50，钢材强度为Q345；梁为混凝土矩形截面，材料采用C50混凝土。风荷载计算见表1

2、本章小结

基于推导的公式[1]，针对一含有多种截面梁的21层框架结构以位移、层间位移作为约束条件进行了的抗风优化设计分析，满足条件，并得出结论：1）图1（j）以位移为约束能有效控制结构的位移，图（k）层间位移达到限值2）在结构优化过程中，层间位移约束起主导作用3）图1（i）优化后的钢管等截面变大，导致总造价增大，符合实际要求。4）其他变量根据图1（c）、（d）、（e）、（f）、（g）、（h）全部收敛，满足OC法[4-6]

参考文献：

[1]Chan C.M. Optimal lateral stiffness design of tall buildings of mixed steel and concrete construction [J]. The Structural Design of Tall Buildings，2001，10（03）：155-177.

[2]徐安，贺美花，阳露，等.带有钢管混凝土柱的结构抗侧力优化设计方法研究[J].建筑科学，2015，31（11）：8-15.

[3]JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]Chan C M. Optimal lateral stiffness design of tall buildings of mixed steel and concrete construction [J]. The Structural Design of Tall Buildings，2001，10（03）：155-177.

[5]Chan C M. How to optimize tall steel building frameworks. Guide to structural optimization [M]. Reston： ASCE，1997.

[6] Huang M F， Chan C M， Lou W J. Optimal performance-based design of wind sensitive tall buildings considering uncertainties [J]. Computers & Structures，2012（98）：7-16.

作者簡介：

杨雷（1990-），男，硕士研究生，籍贯：上海，广州大学，研究方向：超高层建筑结构抗风优化设计。