浅谈钢筋混凝土框架结构优化设计探讨

2019-11-28吴浩然

商品与质量 2019年46期

吴浩然

南京苏夏设计集团股份有限公司江苏南京 210000

钢筋混凝土框架结构具有施工操作步骤简单，结构布置方案灵活，建设质量安全可靠等一系列优势，在工程项目建设实践中得到了相当广泛的应用。从设计角度上来说，针对钢筋混凝土框架结构的设计多根据已有经验确定构件尺寸以及结构布置方案，然后通过内力分析的方式确认指标是否符合规范要求，然后根据验证结果对方案进行反复修改，不但导致工作量巨大，同时还难以达到节约造价的目的。因此，研究钢筋混凝土框架结构的优化设计方法具有非常重要的现实意义与价值[1]。

1 结构优化

在ANSYS平台支持下，进行钢筋混凝土框架结构优化设计的方法包括两大类，分别为零阶优化以及一阶优化。其中，零阶优化方法是指在目标函数基础之上增加罚函数，以此种方式将约束问题转换为非约束性问题，通过曲线拟合的处理方式围绕设计变量与目标函数构建解析函数关系，以达到逼近解析结果的目的。一阶优化方法则是在添加罚函数基础之上，借助于因变量对设计变量求导结果，以最小化真实的有限元结果。

以目前工程实践中应用较多的零阶优化方法为例，在进行结构优化设计过程中的主要操作步骤可以概括如下：第一步，选定钢筋混凝土框架结构设计变量作为目标函数基础参数并进行初始化赋值；第二步，在ANSYS平台中围绕钢筋混凝土框架结构建立优化参数模型，形成前处理、求解、以及后处理操作模块，对内力结果以及位移结果进行读取；第三步，以结构建模为基础，根据GET操作指令得到弯矩、轴力、剪力等力学响应参数，并面向状态变量以及目标函数进行赋值；第四步，根据LGWRITE操作指令输出前一项中的参数化建模以及命令流文件；第五步，在ANSYS优化模块中引入前一步骤命令流文件，给出钢筋混凝土框架结构设计变量、状态变量以及目标函数关系，生成上限、下限值；第六步，根据实际情况选择相应优化以及循环控制方法并进行优化分析，反馈分析结果[2-3]。

2 工程实例

2.1 工程概况

某教学楼项目为钢筋混凝土框架结构，地上层数为6层，单层层高为3．6m，框架结构整体宽度37．0m，长度62．0m，建筑抗震设防类别为乙类，设防烈度为7度，设计地震分组为二组，特征周期取值0．55s，结构设计中不纳入对风力荷载作用力的考量。结构荷载取值情况为：楼面恒载作用力为2．0kN·m-2，活载作用力为2．5kN·m-2；屋面恒载作用力为2．6kN·m-2，活载作用力为0．5kN·m-2；梁体恒载作用力为8．0kN·m-2。在对该结构进行优化设计前，相关构件截面尺寸如下：第1～2层框架柱结构尺寸为 800．0×800．0mm，主梁结构 400．0×700．0mm，次梁结构 300．0×600．0mm；第 3～4 层框架柱结构尺寸为750．0×750．0mm，主梁、次梁结构尺寸同前一致；第5～6层框架柱结构尺寸为700．0×700．0mm，主梁、次梁结构尺寸同前一致（62米）。

2.2 结构建模

搭载ANSYS软件进行建模，采用整体式模型，假设满足条件：①钢筋在结构呈均匀性分布；②混凝土间无相对滑移趋势。梁体、柱体结构选用BEAM189单元，板材结构选用SHELL63单元。分别对结构进行恒载以及活载状态下的受力情况分析，遵循现行结构抗震设计规范中有关规定，对荷载工况进行组合，组合一为：1．2X（恒载作用力+0．5活载作用力）+1．3地震作用力，组合二维1．2X（恒载作用力+0．5活载作用力）-1．3地震作用力。

2.3 结构优化

在结构优化处理模块中指定前文中所述数学模型设计变量以及状态变量，对上限值以及下限值进行约束，以总重量为目标函数，按照零阶方法进行优化，优化次数为30次。设计变量优化前、优化后各楼层具体情况如下：全部楼层B1主梁宽优化前为400．0mm，优化后为 308．1mm；H1 主梁高优化前为 700．0mm，优化后为623．7mm；B2次梁宽优化前为300．0mm，优化后为218．6mm；H2 次梁高优化前为 600．0mm，优化后为 503．7mm；第1～2层BB1柱截面优化前为800．0mm，优化后为851．6mm，HH1柱截面优化前为800．0mm，优化后为795．3mm；第3～4层BB2柱截面优化前为750．0mm，优化后为768．7mm，HH2柱截面优化前为750．0mm，优化后为673．8mm；第5～6层BB3柱截面优化前为700．0mm，优化后为586．5mm，HH3柱截面优化前为 700．0mm，优化后为 689．2mm。

2.4 结果分析

按照前文所述各楼层优化后参数重新构建分析模型，对目标函数值进行计算，对比优化前、优化后混凝土结构重量差异，优化前混凝土总重量为5678．6t，优化后混凝土总重量为4570．6t，节约比例为19．5%。根据以上数据可见，搭载ANSYS平台对钢筋混凝土框架结构进行优化设计能够取得确切效果，在满足项目建设需求的基础之上最大限度降低目标函数值，达到节约资源，控制造价的目的[4]。