基于体系可靠度的半刚性钢框架结构优化设计研究

【摘要】： 结构优化是工程界永恒追求的目标。结构优化设计不是一个简单的数学问题,而是一个带有工程意义的实际问题。如何得到既经济节约,又安全可靠度的结构优化设计方案,是结构设计非常重要的研究课题。由于工程结构变量数目庞大、变量离散性和非线性突出等一系列特殊性,导致结构优化的理论方法和实际应用严重脱节。 本文从结构体系可靠度、半刚性连接、支撑体系三个方面对钢框架结构优化设计进行研究。 首先,基于结构体系可靠度能更全面地体现结构安全可靠性,本文将结构体系可靠度和结构优化结合,在结构优化的过程中清晰地反映结构的可靠性,更能体现结构优化的意义。本文还讨论研究了结构体系可靠度的计算方法,并针对结构的可靠度计算特点,提出了适合于结构有限元大型计算的体系可靠度计算方法——改进蒙特卡罗法和改进PNET法。经过分析比较,改进蒙特卡罗法既有蒙特卡罗法的计算精度高和计算程序化高的优点,又简约了计算耗时;改进PNET法能够量化地表示结构体系的各失效模式间的相关关系,同时较之蒙特卡罗法,计算耗时短,因此适合于在结构分析初级阶段的结构性能评判。 其次,为了更好地反映结构力学性能,使结构优化结果具有更好的工程实际意义,本文在结构优化设计中考虑了半刚性连接对框架结构的影响和可靠度约束。根据半刚性连接框架有限元和体系可靠度分析方法,建立了半刚性连接框架结构的可靠度计算分析方法;结合遗传算法进行了基于可靠度的半刚性连接框架结构优化设计。研究结论显示,在不考虑结构可靠度的情况下进行结构优化设计,其优化结果的可靠度非常低,甚至有可能达不到我国相关规范对结构安全等级的要求,说明不考虑可靠度的优化设计其结构可靠度得不到保证,很容易因为一味地追求经济目标而导致结构存在很大的安全隐患。通过框架结构半刚性连接的对比研究,提出半刚性连接在框架中的效应是跟其他因素耦合产生的,设计中应主动地选择和设计半刚性连接,使框架结构性能达到最优设计的主动半刚性连接设计方法,并建立了基于可靠度的主动半刚性连接框架结构优化设计的模型和方法步骤,通过对比研究,给出一些结构优化设计的规律性总结。 再次,根据离散型拓扑模型建立了框架支撑体系的拓扑模型,并与半刚性框架结构优化模型和可靠度分析方法相结合,建立了基于可靠度的主动半刚性连接框架支撑体系优化设计模型及方法,通过框架例子的对比分析,给出一些结构优化设计的规律性总结。本文从结构体系角度进行结构优化设计,综合考虑结构拓扑形式、连接形式和可靠度水平,使结构优化设计具有更好的工程实际意义和参考价值。 然后,通过实际工程例子详细阐述了分项系数准则设计方法的理论基础和实现方法。 最后,总结了全文并对下一步研究工作进行了展望。