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基于HyperWorks平台的框架结构抗震优化设计研究

茹卫东  
【摘要】:抗震分析是建筑结构设计的关键,结构方案的选取往往要基于抗震设计的要求,因此在地震作用下进行结构设计方案的优化才有意义。目前,建筑结构优化设计,一般是设计人员凭自身的设计经验通过对结构方案反复调试达到结构优化设计的目的,其优化结果带有过多的主观人为因素。本文基于HyperStudy优化平台(HyperWorks的优化模块)及建筑结构抗震设计规范研究对框架结构进行抗震优化设计的方法,通过二次开发程序实现优化计算的自动化。自动搜索求出满足约束条件的结构最优方案。本文的主要内容包括: (1)研究利用HyperStudy调用集成的第三方通用分析软件SAP2000,对建筑结构进行抗震优化设计。本文通过研究HyperStudy调用SAP2000的原理和方法,实现了对框架结构进行抗震优化设计。 (2)利用SAP2000的API (Application Programming Interface)功能开发一个可以调用SAP2000内核计算而同时可以被HyperStudy调用的程序OptiDesign,从而实现HyperStudy通过控制OptiDesign间接控制SAP2000进行优化求解。OptiDesign的主要作用有两点,一是让SAP2000在相应的路径下导入文本接口文件,进行求解计算;二是对SAP2000的计算结果进行自动处理,输出结构优化需要的数据,供HyperStudy读取并作为优化设计的响应。 (3)SAP2000是空间的结构分析软件,输出结果中没有与楼层相关的抗震控制技术指标。OptiDesign通过对SAP2000的计算结果进行运算处理,得到如楼层剪力、位移角、位移比等技术指标。HyperStudy获取了这些结果后,通过对其进行约束控制,实现了符合抗震概念设计的优化分析。 (4)对比和分析了HyperStudy提供的遗传算法(GA)、自适应响应面算法(ARSM)、可行方向法(MFD)和序列二次规划法(SQP)等四种算法在框架结构优化设计中优化效率和优化结果的差异。计算结果表明,ARSM算法计算收敛速度快、优化结果合理,其对建筑框架结构的抗震优化设计适用性较强。 (5)实验设计(DOE)灵敏度的分析方法可以得到设计变量之间以及设计变量与响应之间的变化敏感程度。本文计算表明,在优化设计前进行DOE灵敏度的分析,剔除对优化目标不敏感的变量,可以大大提高优化的效率。 (6)将本文方法应用到实际框架结构优化设计中,优化的结果符合建筑结构设计的一般规律和结构的力学概念,优化效果明显。实践证明,将本文方法应用于框架结构抗震优化设计是可行的,可以作为框架结构抗震优化设计的一种新手段。


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