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基于FCM算法的多层钢框架模糊优化设计

刘强  
【摘要】:随着我国经济和科学技术的不断发展,我国的钢铁制造产业近年来取得了显著的进步,钢产量连年攀高,钢材质量和钢材规格比以往都有了很大的改善。由于钢结构材料具有强度高、自重轻、精度高、施工周期短等显著特点,在我国的建筑行业领域特别是多层民用建筑结构中,以钢材为主要承重构件的结构体系尤其是钢框架结构体系得到了越来越广泛的应用。 如何准确、快速、经济、合理地进行多层钢框架结构体系的分析设计(即对多层钢框架结构进行优化设计),一直是土木工程领域中的一个热点问题。PKPM结构设计软件中的STS模块作为一款专业的钢结构一体化CAD软件,其功能强大,计算分析结果准确可靠,在我国的钢结构设计市场占有很大的市场份额。然而软件中的优化功能并不尽如人意,模块仅具有平面优化能力,钢框架的平面分析模型和大多数结构的实际工作状态并不相符,且常常需要设计人员人工参与其优化设计过程。 本文在对钢框架结构体系的分析设计和结构优化设计理论进行深入分析了解的基础上,将浮动应力指数法和模糊数学中的c.均值聚类算法相结合,提出了一种基于FCM算法的针对多层钢框架结构体系的模糊优化设计方法。根据SATWE对结构模型的分析计算结果,以杆件的截面惯性矩作为优化设计变量,材料体积作为目标函数,对钢框架结构中各杆件的截面尺寸进行优化,降低建筑工程的直接材料成本;而后采用c一均值聚类算法对优化后的各杆件实现模糊聚类分组归并,之后再交由SATWE进行分析计算并重新进行模糊分组归并,两个过程迭代进行,从而达到降低钢构件的产品种类,减小构件的加工设计成本,使工程结构的综合成本趋于最优的优化设计目标。 结合实际工程,以降低工程结构综合成本为目标,采用此模糊优化设计方法对工程数据模型进行优化设计分析,工程实例的优化结果表明:优化后的钢框架结构符合结构设计原理,和原设计方案相比,结构中各构件的力学性能指标有了一定的改善,钢材用量减少,工程算例表明本方法具有较好的实用性和有效性。最后,总结全文并对下一步的研究工作进行了展望,期待能将此模糊优化设计方法与国内专业的钢结构设计软件相结合,推动钢结构事业的发展。


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