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预应力组合网架优化理论研究

李康  
【摘要】:预应力组合网架是在组合网架的基础上,在下弦平面内设置单向或双向预应力拉索,从而形成一种拉索、钢管和钢筋混凝土平板(带肋板)共同工作的组合结构体系。它将承重结构与维护结构合二为一,通过施加预应力改善内力分布、降低应力峰值,增大结构刚度、降低挠度,充分发挥材料强度、提高结构承载力,从而节省用钢量、降低了造价。预应力组合网架具有诸多优势,适用于大柱网、大空间的屋(楼)盖中。 在预应力组合网架结构设计中,设计者首先面临的问题是如何确定其预应力值、跨高比、网格数。对于这些参数,设计者往往是根据相关经验或试算的方式来选择,缺乏科学依据,不一定取得最优解。预应力组合网架结构组成复杂,设计变量多,优化问题非常复杂,工程人员一般不容易掌握。基于此,运用优化理论对预应力组合网架几何外形进行研究,为预应力组合网架的优化设计提供选型依据,是一件有意义工作。 根据规范和已建工程实例,本文利用APDL设计语言建立了40余个不同建筑尺寸的算例模型。基于三阶段设计方法,在三种荷载工况作用下,详细分析结构变形以及各个构件的应力变化情况。结合各构件的受力特性,本文选取预应力组合网架的跨度、高度、网格数、预应力值、杆件截面面积、肋梁宽度以及高度作为设计变量,以结构的总造价为目标函数,同时考虑强度、刚度、稳定性、截面尺寸、拉索预应力限值及结构挠度等约束条件,采用零阶优化方法,对该结构进行优化设计。 从全部的结果中选取在最优点造价3%以内数值,用回归分析的方法找寻预应力组合网架的造价与跨高比、长宽比、网格数、预应力值的关系,结论如下: 1.当预应力组合网架的跨高比、网格数、预应力值同时在各自最优值范围内时,造价取得最优解。 2.预应力组合网架的最优跨高比基本是恒值,有较宽的分布带,宜取16~19。 3.长宽比对结构的网格数影响很小,预应力组合网架的最优网格数主要取决于短向的跨度,宜取(6~8)+0.2L2(L2为结构的短向跨度)。 4.预应力组合网架的最佳预应力值基本是恒值,有较宽的分布带,宜取35%-45%的结构总荷载。


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