结构优化方法精品(七篇)

序论：写作是一种深度的自我表达。它要求我们深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隐藏在内心深处的真相，好投稿为您带来了七篇结构优化方法范文，愿它们成为您写作过程中的灵感催化剂，助力您的创作。

篇(1)

关健词 船舶结构；优化；设计方法

中图分类号 U66 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）103-0100-02

进行船舶结构优化设计的目的就是寻求合适的结构形式和最佳的构件尺寸，既保证船体结构的强度、稳定性、频率和刚度等一般条件，又保证其具有很好的力学性能、经济性能、使用性能和工艺性能。随着计算机信息技术的发展，在计算机分析与模拟基础上建立的船舶结构的优化设计，借鉴了相关的工程学科的基本规律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的优化设计方法也取得了较大的进步；建立在人工智能原理与专家系统技术基础上的智能型结构设计方法也取得了突破性进展。

1经典优化设计的数学规划方法

结构优化设计数学规划方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他认为在进行结构设计时应当把给定条件的结构尺寸的优化设计问题转变成目标函数求极值的数学问题。这一方法很快得到了其他专家的认可。1966年，D.Kavlie与J.Moe 等首次将数学规划法应用于船舶的结构设计，翻开了船舶结构设计的新篇章。我国的船舶结构的设计方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潜艇在中剖面、框架、板架和圆柱形耐压壳等基本结构的优化设计方法。

由于船舶结构是非常复杂的板梁组合结构，在受力和使用的要求上也很高，所以在进行船舶结构的优化设计时，会涉及到许多设计变量与约束条件，工作内容很多，十分困难。船舶结构的分级优化设计法就是在这个基础上产生的，其基本思路是最优配置第一级的整个材料，优选第二级的具体结构的尺寸。每一级又可以根据具体情况划分成若干个子级。两级最后通过协调变量迭代，将整个优化问题回归到原问题。分级优化方法成功地解决了进行船舶优化设计中的剖面结构、船舶框架和板架、潜艇耐压壳体等一系列基本问题。

2 多目标的模糊优化设计法

经典优化设计的数学规划方法是在确定性条件下进行的， 也就是说目标函数与约束条件是人为的或者按某种规定提出的，是个确定的值。但是在实际上， 在船舶结构的优化设计过程、约束条件、评价指标等各方面都包含着许多的模糊因素，想要实现模糊因素优化问题， 就必须依赖于模糊数学来实现多目标的优化设计。模糊优化设计问题的主要形式是：

式中j 和j分别是第j性能或者几何尺寸约束里的上下限。

模糊优化设计方法大大的增加了设计者在选择优化方案时的可能性， 让设计者对设计方案的形态有了更深入的了解。目前，模糊优化设计法发展很快， 但是，还未实现完全实用化。多目标的模糊优化设计法的难点主要在于如何针对具体设计对象， 正确描述目标函数的满意度与约束函数满足度隶属函数的问题。

3 基于可靠性的优化设计方法

概率论与数理统计方法首先在40 年代后期由原苏联引入到结构设计中， 产生了安全度理论。这种理论以材料匀质系数、超载系数、工作条件系数来分析考虑材料、载荷及环境等随机性因素。早在50年代，人们就在船舶结构的优化设计中指出了可靠性概念，随后，船舶设计的可靠性受到人们的重视，开始研究可靠性设计方法在船舶结构建造中的应用。

船舶结构可靠性的理论和方法根据设计目标的不同要求， 可以得出不同的结构可靠性的优化设计准则。大体分为以下3种：

1）根据结构的可靠性R·，要求结构的重量W最轻，即：

MinW（X），s.t.R ≧R·

2）根据结构的最大承重量W·， 要求结构的可靠性最大或者破损概率最小，即：

Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·

3）兼顾结构重量和可靠性或破损概率， 实现某种组合的满意度达到最大，即：

Max[a1uw（X）+a2upf（X）]

式中， a1，a2分别代表结构重量和破损概率的重要度程度， 而且满足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分别为代表相应的满意度。

关于船舶结构的可靠性优化设计方法的研究越来越多， 逐渐成为船舶的结构优化设计中的重要方向。但是，可靠性的优化设计方法除了在大规模的随机性非线性规划求解中存在困难外， 还有一个重要的难点在于评估船舶结构可靠性的过程很复杂， 而且计算量大。

4 智能型的优化设计方法

随着人工智能技术（Al）和计算机信息技术的发展， 给船舶结构的优化设计提供了一个新的途径，也就是智能型优化设计法。

智能型的优化设计法的基本做法为：搜索优秀的相关产品资料，通过整理，概括成典型模式，再进行关联分析、类比分析和敏度分析寻找设计对象和样本模式间的相似度、差异性与设计变量敏度等，按某种准则实施的样本模式进行变换， 进而产生若干符合设计要求的新模式， 经过综合评估与经典优化方法的调参和优选， 最终取得最优方案。

智能型的优化设计法法的优点是创造性较强，缺点是可靠性较弱。所以在分析计算其产生的各种性能指标时，应当进行多目标的模糊评估， 必要时还应当使用经典优化方法对某些参数进行调整。

5 结论

通过本文对船舶结构优化设计方法的研究，我们得出在进行船舶结构优化设计的时候， 往往会涉及到很多相互制约和互相影响的因素， 这就需要设计人员权衡利弊， 进行综合考察， 不但要进行结构参数与结构型式的优选，而且还要针对具体情况对做出的方案进行评估、优选和排序。通过什么准则对不同的方案进行综合评估，得出最优方案， 成为专家和设计人员需要继续研究的问题。

参考文献

[1]郭军，肖熙.基于可靠性的船体结构多目标优化设计[J].上海交通大学学报，2010（1）.

篇(2)

[关键词]型钢混凝土；组合结构；优化设计方法

中图分类号：TU398.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）01-0136-01

型钢混凝土结构主要由以下两个方面组成：①型钢混凝土柱；②型钢混凝土梁。型钢混凝土具有承载力高以及弹塑性好等特点，目前来看，型钢混凝土在工程应用方面有很大的发展前景。型钢混凝土结构中的单调加载条件与循环加载条件下的受力性能研究有较大的应用前景，在循环荷载作用下呈现出较好的性能。从型钢混凝土结构应力发展裂缝情况不难看出，型钢混凝土结构在水平荷载作用下被分为以下三个阶段：①塑性破坏阶段；②弹性阶段；③弹塑性阶段。国内外的相关实验研究结果表明，型钢混凝土结构在低周反复荷载作用下具有良好的耗能能力，尤其是在型钢混凝土结构的延性以及刚度方面。

1 型钢混凝土组合结构的基本特点

型钢混凝土组合结构主要指的是把型钢埋入到混凝土中的结构形式，在操作过程中主要先通过定位放线最后再进行混凝土浇筑，被分为以下两种类型：①部分结构构件采用型钢混凝土结构形式；②全部结构构件采用型钢混凝土结构形式。上述两种结构类型都适用于以下四种结构：①框架结构；②底部大空间剪力墙结构；③筒中筒结构；④框架-剪力墙结构。与传统的型钢结构相比，具有以下三个方面的优点：①能够更为节约钢材；②具有良好的耐久性以及耐火性；③受力性能良好。与钢筋混凝土结构相比，型钢混个凝土组合结构具有以下三个方面的优点：①施工周期较短；②抗震性能较好；③承载力较高。型钢混个凝土组合结构具备以下两种结构类型的特点：①型钢结构类型；②钢筋混凝土结构类型。为了让人们能够更加清楚了解型钢混个凝土组合结构结构，笔者将针对型钢混个凝土组合结构的混凝土和型钢的计算和优化方法进行研究。举例来说，型钢混个凝土组合结构中的型钢与混凝土之间相互约束，在一定程度上提高了混凝土的强度和型钢的强度，有效增加了整体构件的延性、构件抗震性能以及改善混凝土本身不利于抗震的脆弱性。众所周知，智利是地震多发国家，智利国家尤其重视型钢混个凝土组合结构的性能研究和基础工程应用。例如，1973年建成的圣地亚哥，其所用结构为型钢混凝土组合结构，在地震中基本没有受到很大损毁，继而引起了日本建筑工程行业的重视。

2 型钢混个凝土组合结构优化设计的基本方法

型钢混个凝土组合结构在优化设计中基本以变量结构的参数形式出现，在根据相关要求的基础上，形成型钢混个凝土组合结构方案。简而言之，型钢混个凝土组合结构优化设计主要利用数学手段，并且按照设计者所规定的要求从中选出一个最为理想的方案。型钢混个凝土组合结构优化设计主要表现如下：①以有限单元法为基础的分析方法；②以数学规划为计算手段；③以现代高速计算机为工具；④最终得出设计方案。随着现代科学技术的发展，优化设计的过程具备灵活性等特点，再通过有限次的计算能够使得结构设计方案逐渐改善。笔者将根据相关工作经验，针对型钢混凝土组合结构优化问题算法来进行简单介绍：①简单解法；②数学规划法；③准则法。

（1）简单解法。当设计变量处于不多的情况下，可以采用简单解法。一般来说，图解法对设计变量小于或者等于2h，效果达到最为理想。对于柱与板的优化设计问题需要采用松弛变量法，此种方法对求解约束条件要求不是很高。

（2）数学规划法。数学规划法（Mathematical Programming，MP）从结构力学的基本原理角度出发，选用MP来寻找设计参数的最优解。此种解答方法发展比较早，用途也较为广泛。数学规划法中主要包含以下几个方面的解法：①线性规划；②非线性规划；③动态规划；④几何规划。其中线性规划问题的解决方法较为成熟，在处理目标函数方面能够设计变量的线性函数问题。非线性规划则主要应用目标函数的方法，结构的优化设计有约束的非线性规划问题，在解答过程中有较大难度。例如，目前最常使用的导数分析方法以及梯度投影法等。

（3）准则法。准则法主要从工程方面的观点出发，从预先规定的结构来满足相关准则（能量准则、位移准则、频率准则以及应力准则等），为了满足上述准则条件应该使用结构最轻的材料。使用的相关方法为：利用最为优化的杆系结构，重新分析设计变量初始，一旦计算量不够大时，需要使用已经设定好的几个布局。准则法有其自身的缺陷，从工程应用方面来看，型钢混个凝土组合结构结构比较方便，能够更容易被人接受。在早期，准则法能够满足应力设计，将结构杆件的应力在某种情况下达到允许的范围力之内，充分发挥出材料强度的潜力。上述所说的方法在发展的基础上与框架结构的应力设计两者相互结合，从而处理弹性稳定方面以及位移方面等约束条件。

3 型钢混个凝土组合结构优化设计的基本原理

型钢混个凝土组合结构由柱构件与规则截面的杆系梁组成，在设计过程中均采用部分优化的方法。在满足相关建筑要求的情况下进行结构的平立面布置（抗震功能首先考虑原则基础上），进一步确定好梁的跨度与柱的高度。基于此，按照经济跨高比和框架梁进行初步选型，最终得出型钢混个凝土组合结构的初始截面。在上述初始方案基础上，采用有限单元法分析不同荷载情况下的受体力分析，最后得到剪力、轴力的组合值，再计算出常规设计所需要的参数值。例如，柱的计算长度以及梁的剪跨比等指标。将型钢混个凝土组合结构离散柱构件与杆系梁根据已经得到的受力条件来优化设计柱与梁，再得到工程的总造价。利用变量方法来进行二次处理，直到前后2次的设计方案能够接近并且最终得到优化设计方案。简而言之，确定好方案1之后再进行结构整体分析，通过分部方案1优化得到方案2，在进行分部优化设计时，需要注意以下几个方面：①利用结构分析得到剪力值、轴力值，继而能够优化截面；②对于超静定结构，初始截面的选择相对于构件内力所需要的截面来说不够充分，优化后构件的截面将会有效增大，重新分析构件内力时将会取得更大的效果。对于超静定结构优化过程，其构件内力始终和截面保持不一致，此种差距不会随着结构重分析次数的增加而减少，在优化构件设计时，对结构的内力应该引M超松弛系数，S′=S（S/R）α，其中S′代表构件内力，S为前一次结构重分析得到的构件内力，R为优化前构件抗力；α代表超松弛系数，α=0.4。

型钢混凝土框架梁的截面宽度不宜小于300mm，截面的高度和宽度的比值不宜大于4，为了进一步保证框架梁对框架节点的约束作用，便于施工过程中能够充分考虑到截面高度比值、宽度比值等，型钢混凝土框架梁在支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处，应在型钢腹板两侧对称设置支承加劲肋。

4 结束语

综上所述，型钢混个凝土组合结构作为一种工程方法，型钢混个凝土组合结构连续变量所得到的结果不能够直接被应用，在初步优化设计方法基础上，收敛的速度也能够接近优化解，当变量较多时此种途径能够带来较宽的时间效益。

参考文献：

[1]王秋维，史庆轩，侯炜，等.型钢混凝土框架结构基于增量动力分析的抗震性能评估【J】.世界地震工程，2011，27.

篇(3)

关键词：隔膜泵；隔膜腔；机械强度；ANSYS

中图分类号：TH323 文献标识码：A

作为高压隔膜泵液力端的核心部件，隔膜腔在输送固液两相流体过程中起到了非常重要的作用。隔膜腔用于连接隔膜室盖、进料阀和出料阀，因此隔膜腔的设计过程中需要考虑流体压力、螺栓预紧力和其他因素的影响。本文以某大型高压隔膜泵中隔膜腔为研究对象，基于有限元方法对隔膜腔进行了静力强度分析。通过ANSYS的后处理分析模块获得了隔膜腔的应力分布，扭曲和应力线性化结果。根据ASME VIII-2标准对隔膜腔的机械强度进行了校核，并在此基础上对隔膜腔的结构进行改进设计。分析结果可为隔膜腔的结构优化设计和降低成本提供一定的理论基础。

1 有限元模型的建立

图1（a）给出了隔膜腔的剖面图，从图中可以看出两个内腔圆角和最小壁厚分别用R1，R2和d表示。通过三维设计软件SolidWorks画出隔膜腔的1/4对称模型，如图1（b）所示。隔膜腔的材料采用ZG20Mn，材料属性如下：拉伸强度σb为510MPa，屈服极限σs为295MPa。根据ASME相关标准，材料的许用应力可通过下式计算出来。

Sm=min（σb/2.4， σs/1.5）（1）

将SolidWorks建立的隔膜腔几何模型输出为SAT格式档并导入有限元分析软件ANSYS，在ANSYS的前处理模块对隔膜腔划分网格。应力集中区域需要局部网格加密，最后获得隔膜腔有限元模型的单元数为173812，节点数为36952。根据隔膜泵实际的工作状态，定义隔膜腔的边界条件和载荷如下：隔膜腔的对称面施加对称边界约束，定义隔膜腔和隔膜室盖螺栓连接处施加600000N的预紧力，隔膜腔和出料阀螺栓连接处定义80000N的螺栓预紧力，隔膜腔内受液体压力的面施加20MPa的压力。图2给出了隔膜腔的载荷约束图。

2 应力分类及强度评定

图3给出了隔膜腔的Von Mises应力图和位移云图。从图中可以看出最大应力出现在隔膜腔的相贯线处。根据ASME VIII-2标准，定义了用于强度校核的四条线性化的应力计算路径，如图4所示。选择这些路径的原理如下：沿着壁厚的方向，根据最大应力节点定义一条或多条应力计算路径。应力线性化计算路径还应当在隔膜腔的应力集中区域进行定义。

根据应力产生的原因、应力集中区域和应力的性质，压力容器应力可以大致分为：主整体膜应力（Pm），主局部膜应力（PL），主弯曲应力（Pb）和次应力（Q）。利用这些应力和如下的校核方法可对隔膜腔的强度进行校核：主总体膜应力的等效值应当小于金属材料的许用应力（Sm）。考虑到应力的位置，主局部膜应力的等效值应当小于1.5倍材料许用应力（1.5Sm）。根据极限载荷设计理论，当膜应力和弯曲应力同时存在时，他们的和应当小于1.5倍的材料许用应力（1.5Sm）。更进一步考虑次应力的限制条件时，Pm（PL）+Pb+Q应当小于3倍的材料许用应力（3Sm）。

通过ANSYS的后处理模块，画出了沿着四条应力计算路径的等效应力变化曲线，如图5所示。四条应力计算曲线的最大等效应力列在了表1中。

表1 不同路径的最大等效应力

路径 薄膜应力（MPa） 薄膜+弯曲（MPa） 总应力（MPa）

1 40.12 84.25 90.74

2 33.25 82.03 94.22

3 44.45 66.49 62.83

4 45.38 58.16 62.85

将表1中的应力数据带入应力校核公式，可获得隔膜腔的应力校核结果，如式2-5所示。结果表明隔膜腔的应力满足强度使用要求。

Pm=40.12MPa

PL=45.38MPa< 1.5Sm=295.05MPa （3）

Pb +PL=84.25MPa< 1.5Sm=295.05MPa（4）

Pb +PL+Q=94.22MPa< 3Sm=590.1MPa（5）

通过修改隔膜腔的结构来优化隔膜腔的结构并降低制造成本。结构的修改方法如下：保持内腔几何尺寸不变，壁厚减小30mm，修改结构前后的模型对比如图6所示。

根据相同的应力分析方法，用ANSYS软件对修改结构后的隔膜腔进行应力分析。修改结构后的隔膜腔的应力线性化路径的定义位置与改结构之前的位置相同。修改结构的隔膜腔的最大等效应力列在表2中。

表2 不同路径的最大等效应力

（修改结构）

路径 薄膜应力（MPa） 薄膜+弯曲 （MPa） 总应力（MPa）

1 60.38 137.25 148.67

2 50.42 128.57 155.38

3 68.76 109.32 126.04

4 69.81 97.49 132.72

根据表2中的等效应力，按照ASME VIII-2标准对隔膜腔的强度进行校核，可以看出修改结构后的隔膜腔同样满足强度要求。

3 结论

通过对用于远距离管道输送的某型隔膜泵隔膜腔的应力分析和校核，可得到如下结论：

可通过有限元分析软件ANSYS对隔膜腔进行静应力分析，并且获得了工作压力下隔膜腔的最大应力位置和最大应力值。

根据ASME VIII-2标准中对应力的分类，在隔膜腔1/4对称模型上定义了四条不同的应力线性化计算路径，并且通过ANSYS后处理模块获得了等效应力变化曲线。隔膜腔的机械强度通过相关的应力校核方法进行了校核，结果显示修改结构前后的隔膜腔结构均满足强度要求。

通过减小壁厚获得了一种新的隔膜腔结构，新结构通过校核满足强度使用要求，通过比较结构，发现新结构减小了重量，降低了制造成本。

参考文献

[1]ANSYS help. USA： ANSYS company，2010.

篇(4)

针对传统的安全因数法考虑载荷和强度不确定性因素对飞机安全性的影响太笼统，无法从根本上减轻飞机结构质量的问题，提出一种飞机结构可靠性优化设计方法.根据应力强度干涉模型计算结构单元的可靠度，建立以单元满可靠度为准则的优化模型，实现包含可靠性约束的结构尺寸优化.该功能已经加入到COMPASS中.算例结果表明该方法能够减轻结构质量，改善结构可靠度. 该方法为开展飞机结构不确定性设计提供技术手段.

关键词：

飞机； 薄壁结构； 准则法； 可靠性； 优化设计； 关键元； COMPASS

中图分类号： V214.19

文献标志码： B

0引言

随着轻质材料的大量应用，飞机结构的质量越来越轻、性能越来越好.例如，欧美两大飞机制造商空客和波音公司最新研制的A350和B787客机，复合材料的使用量已达到甚至超过50%，新型金属合金材料也占有较高的比例.轻质材料的大量使用虽然能大幅减轻结构质量，但并不能从根本上解决结构质量突出的问题，主要原因在于当前飞机结构设计仍沿用确定性设计思想即安全因数法，该方法比较保守，笼统考虑载荷和强度不确定性因素对安全性的影响.[1]为解决传统设计存在的不足，飞行器设计尝试开展可靠性设计.[2]在现有工程结构优化的基础上，本文提出一种可行的结构可靠性优化设计方法，并以结构优化设计系统COMPASS为平台，研究考虑可靠性约束的结构优化设计.目前，该方法主要针对飞机薄壁结构，其他结构需展开相应研究，包括失效分析和可靠性分析等.

1优化设计现状

篇(5)

关键词：可靠度；桥梁结构；优化；设计

Abstract: based on the reliability of bridge structure optimization design will bridge structure as a whole study, but also to consider and deal with the design of bridge structure stochastic uncertainty, a traditional structure optimization design is more reasonable. The paper based on reliability of bridge structure optimization design basic ideas and development direction.

Keywords: reliability; Bridge structure; Optimization; design

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1引言

桥梁结构设计的基本原则是安全、适用和经济。传统的桥梁结构设计主要是采用定值设计的方法，既不能描述和处理桥梁结构中客观存在的各种不确定性因素，也不能定量地分析计算安全、适用及经济的各项指标，更无法科学地协调它们之间的矛盾，使它们达到合理的平衡。事实上，传统设计方法追求的是一个满足设计规范条件下的最低水平设计，因而提出新思路、研究新方法是十分必要的。

当前，结构优化设计在桥梁工程领域日益受到重视，但其应用的范围和程度还很不理想。其原因除了桥梁工程设计取费标准不利于推动优化技术之外，还可归结为桥梁工程结构优化问题的如下特点：

（1）桥梁工程结构设计中的大量不确定性。如外部环境（荷载和结构所处场地类型等）的不确定性、结构本身的不确定性（结构材料性能、截面几何参数和计算模式的精度等不确定因素导致的结构构件抗力的不确定性）、结构整体分析中由于模型简化的误差而导致的不确定性等。为了充分考虑所涉及到的各种不确定性因素（目前主要考虑随机性因素），必须采用结构可靠度理论。

（2）桥梁工程结构设计准则的多重性。包括承载能力极限状态设计、正常使用极限状态设计以及与其它特殊功能要求相联系的极限状态。

（3）结构优化目标的多样性。对桥梁工程来说，人们既要求在目标方面考虑结构造价，还要考虑不同功能的失效概率和失效损失造成的失效损失期望、结构运行和维修费用等在内的经济指标，还可以以某些特定结构功能为目标。另外，目标函数的性质也很复杂，既有设计变量的显式函数（结构的重量或造价），又有设计变量的非线性、高度隐式函数（结构的失效损失期望）；而且由结构造价和结构损失期望的加权和所构成的统一目标函数不具有对设计变量的单调性。

2结构优化模型

基于可靠度的桥梁结构优化模型可以决策出各个构件的最优可靠度，各个构件的优化设计就是以最小的造价实现它的最优可靠度。这就将结构整体优化设计方法转化为一个两层次的结构优化设计问题。

2.1层次一――结构可靠度的最优分配

在无约束条件下，寻求结构可靠度的最优分配就是求解如下的数学规划：求

Psii＝1，2，…，K…。

min W＝C＋L（1）

式中：W为目标函数；C为结构造价；L为结构的损失期望；K为构件数目；Psi为第i个构件的可靠度。

以上模型中的C和L目前只能利用经验统计法、半理论半经验法等求得其近似表达式。

对不同的结构及不同的情况（如考虑构件失效的相关性及构件之间的串并逻辑关系），C和L具有不同的表达形式。因此，寻求C和L的合理表达式是有待于进一步研究的问题。

结构可靠度的最优分配模型中，采用目标函数W＝C＋L，将多目标优化问题转化为单目标优化，使问题得到了极大的简化。

求解数学规划（2），便可决策出各个构件的最优可靠度Psi＊（i＝1，2，…，K）。它们是从结构整体的近期效益和长远效益出发，结合投资条件为各个构件规定的控制指标，既是安全的指标，又是经济的指标，因而是各个构件的最佳控制标准。

2.2层次二―――结构中的构件优化

在决策Psi＊（i＝1，2，…，K）时己考虑了结构的近期投资和长远效益，因此，在构件设计变量的细部优化时就只需考虑如何以最小的造价Ci＊（i＝1，2，…，K）使构件具有规定的可靠度即可。这就是结构整体利益指导下的构件变量优化设计。它的数学模型就是解如下的数学规划：

求X

min C（X）

s.t.PS（X）＝PS＊（2）

式中：X为设计变量，为了一般化，上式中的符号均未加下标。

解决问题的另一途径就是找出结构造价和可靠度之间的比较精细合理的函数关系，这时，C（PS＊）就是构件最合理的造价。

3结构优化设计研究方向

基于可靠度的桥梁结构优化设计，应重点研究和解决以下问题：

3.1研究符合桥梁结构特点的、实用可行的优化模型。

3.2研究桥梁结构各构件的逻辑功能关系。

在结构体系可靠度理论中，研究较多较成熟的是“串联系统”，因此，如何将桥梁结构划分为若干具有串联关系的单元（单元可以是单个构件，也可以是构件的组合，这种组合可能出现并联关系或混合关系），也是一个十分有意义的问题，可使问题得到简化。

3.3研究单元（构件）失效之间、失效模式之间的相关性问题。

可靠度计算是结构优化过程中非常关键的环节，为此，合理考虑各单元（构件）失效间的相关性及失效模式间的相关性是非常重要的。

4基于可靠度的结构优化水平的划分

基于可靠度的结构优化方法按其设计变量的特性可划分为四个优化水平，分别是：水平一：截而优化，以截而尺寸作为设计变量；水平二：形状优化，以截而尺寸和描述形状的几何尺寸作为设计变量；水平二：结构优化，以截而尺寸、描述形状的几何尺寸和结构特性参数作为设计变量；水平四：总体优化，以截而尺寸、描述形状的几何尺寸、结构特性参数和材料参数作为设计变量。

5结语

从确定性的设计方法向概率设计方法方向发展，这是当前结构工程设计的发展趋势。计入作用和结构抗力实际上存在的随机性和将主要依靠直观经验确定的安全系数变为系统地应用统计数学定量给出一定基准期内结构的失效概率和统一可比的可靠指标，无疑是工程设计思想、概念和方法上的突破。基于可靠度的结构优化方法的研究和工程应用的前景将十分广阔。

参考文献:

[1]叶见曙.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,1998.

篇(6)

【关键词】建筑结构；优化设计

中图分类号：TU3文献标识码： A

一、前言

建筑结构优化设计是指在满足各种规范或某些特定要求的条件下，使建筑结构的某种指标，如结构形式、重量、刚度、造价等，达到最佳的设计方法。优化设计就是要在所有可用方案和做法中，按某一目标选出最优的方法。随着科学技术的不断创新，推动经济不断向前快速发展，人们对物质生存环境提出了更高要求，而建筑是人类物质生存环境的重要载体。近年来，节约环保型社会建设理念的不断深入人心，进一步加剧了建筑的需求者与供应者对建筑结构优化设计的需要。建筑结构的优化设计，不但满足了投资者控制建筑投资成本的目标，而且更加符合使用者对建筑本体功能的需求，从而实现了社会整体经济效益的最大化。因此，建筑结构的优化设计，在市场经济下的节约环保型社会越来越成为可行。

二、建筑结构优化设计的原则:

2.1功能性

建筑是人类的基础物质生存环境，建筑结构优化的终极目标就是为了满足人类对物质生存环境的最大化需求。对功能性的满足也不再局限于传统的实用，而是增添了舒适性、美观性、协调性等多种新元素，满足人类对基础物质生存环境的更高要求。

2.2安全性

建筑作为人类生存的基础生存环境，与人类的生产、生活紧密相关，安全性成为建筑结构优化设计的必然考虑因素。一味追求建筑结构的优化设计，忽略决策阶段、设计阶段、建设阶段的安全性，其作为建筑不但没有任何实际意义，反而会给人类正常生产和生活带来致命的危害。因此，安全性是结构优化设计中的必然考虑因素。

2.3经济性

建筑结构优化设计的经济性是市场经济条件下对资源配置提出的新要求。经济性是指通过建筑结构的优化设计，最大化的节约各种材料资源，达到减少建设成本的目标。另外，各种材料资源都存在一定的稀缺特性，建筑结构的优化设计能科学合理的减少材料的使用量，节省建设材料使用成本。

2.4环保性

建筑结构设计的环保性是继经济性之后的一大更高要求，建筑结构优化设计过程通过材料选用品种的环保、整体布局的环保来体现可持续的发展理念。在建筑资源的材料选用方面，在保证建筑本体功能性、安全性的基础上，最大可能的选择节能环保型材料，同时，在结构优化的整体布局中，不仅强调建筑主体内部结构的统一与环保，也包括建筑建设过程中废旧材料的处理与应用，更不能忽略建筑未来使用过程中对环境产生的重要影响。另外，材料选用的环保、整体布局的环保也是结构优化设计过程中安全性的体现。

三、建筑结构优化设计的内容

3.1 结构优化设计中的构件布置

建筑结构优化设计中的构件布置主要涉及梁、柱子、剪力墙的布置与设计。目前，高层建筑的结构设计大多采用框架 - 剪力墙结构体系, 这种体系由钢筋混凝土框架和钢筋混凝土剪力墙两部分组成,框架的梁柱为刚接,框架与剪力墙可为刚接,也可为铰接。高层建筑体日趋复杂,各种不同功能的建筑用房综合在一起,组成形态各异的高层建筑,给建筑结构优化设计增加了一定的难度。而框架-剪力墙结构体系具有灵活组成使用空间的优点, 比较容易满足建筑物的使用要求, 而且框架-剪力墙结构体系有较高的承载力,较好的延伸性和整体性,并且具备很强的吸收地震力的能力, 从而大大减小了结构本身的侧移。因此，在建筑结构优化设计的实践过程中，在框架 - 剪力墙结构设计中,剪力墙刚度的确定除了必须满足强度条件外, 还必须使结构具有一定的侧向刚度。基于此,剪力墙刚度的大小将直接影响到结构的安全性及工程造价成本。另外，在框架-剪力墙结构初步设计阶段,简捷、准确地确定框剪结构中剪力墙最优数量,即可避免重复、繁琐的结构刚度调整计算,还可以达到减少经济成本的目标。梁的选用与布置。常规梁经济性最好,但严重影响建筑层高，尤其是在目前土地资源有限的情况下，最终还是无法实现社会整体经济效益的最大化；宽扁梁能减少梁的截面高度,增加建筑物的净高。在建筑物总高度限制的情况下,可以增加层数,以获得更多的建筑面积。但宽扁梁在经济指标上与常规梁相比并不是最优,由于Y方向截面高度减小,使得纵向钢筋的配筋率较高,同时挠度偏大。在跨度进一步加大的情况下,也可采用预应力梁,以满足建筑物的特殊要求,但费用较高。此外，高层建筑框架柱截面大小主要由轴压比控制, 在上部轴力一定的情况下,可以通过加大柱截面、提高混凝土设计强度、加大柱箍筋、采用钢混凝土柱等不同方法来控制柱轴压比，最大化程度保证功能性与安全性。

3.2 结构优化设计中的整体布局

为实现这些目标，建筑结构决策者与设计者须从结构优化设计的全局观念出发，利用结构设计中的点、线、面，确定建筑结构设计的总体布局，处理好点、线、面之间的架构关系，借助于材料的选用、构件的布置，充分发挥单个构件与整体结构的配合与协调，使之能实现最佳受力状况，既实现整体结构良好的承重力、刚性与延展性，也实现单个构件的最大化与最佳化利用，保证达到建筑设计的国家质量标准，实现建筑功能性、安全性与经济性的多重目标。

四、结束语

通过建筑结构的优化设计，是实现建筑本体功能与控制建筑造价成本的重要手段。另一方面，建筑投资者或开发商不能过分强调结构优化设计的经济性，通过减少材料、降低技术、放低质量标准来追求经济性，同时也反对一味重视技术要求、忽略经济成本的做法。结构优化设计的终极目标是实现建筑的本体功能性、安全性、经济性与环保性。因此，在保障全面发挥建筑本体功能性、保证安全性的条件下追求建筑投资建设的经济性与环保性是建筑建设的科学合理选择。为了实现这一目标，未来的建筑结构设计者将遵循功能性、安全性、经济性、环保性四位一体的设计思路，真正实现未来建筑结构的优化升级，为人类提供一个更好的物质生存与发展环境。

参考文献：

[1] 高新艳.钢筋混凝土框架结构的整体分析与优化设计[D].太原理工大学.2007.

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关键词：钢筋混凝土建筑；结构；优化设计

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

结构优化设计是在满足设计规范要求及保证结构安全和建筑使用功能的前提下，通过合理的结构布置，科学的计算论证，采取一定的措施来达到合理节约工程造价的一种设计方法。文章主要以优化结构方案及其构造措施入手，结合某钢筋混凝土框架剪力墙结构优化工程，对钢筋混凝土框架-剪力墙结构优化设计相关要点进行了阐述。

1 优化结构方案

结构方案是结构设计的关键，在设计中贯彻国家的技术经济政策，采取正确的结构方案，是保证工程质量，提高工程效益的有力保障。

1) 结构工程师与建筑师商讨，共同确定最优建筑方案。首先在建筑工程的设计阶段，结构工程师凭借自身的专业知识，拥有的对结构体系功能及其受力、变形特性的整体概念和判断力，用概念设计的方法明确结构总体系同分体系之间的最佳受力特征分析，达到使建筑平面结构抗侧刚度中心、建筑平面形心、建筑物质量中心重合，可以有效减少建筑扭转的影响，此外建筑立面要尽可能避免刚度突变和结构不连续，体型要规则、均匀，建筑物总高度满足适用最大高度的规范要求。

2) 力使结构受力与传力途径简洁、明确，传力途径过于复杂会出现多次转换的结构构件，这不仅会增加造价，还容易引起计算错误而埋下安全隐患。而简单、直接的传力途径，可以减少中间传递的结构构件，减少结构的安全风险，结构受力明确，经济实惠。

3) 结构工程师在建筑设计中要尤其注意规范，规程中有关结构概念设计的各项规定，虽然正确的结构计算是设计的重要基础，但设计中不能仅仅依赖于计算，还必须非常重视概念设计。

2 合理的构造措施

构造措施作为计算假定的保证或作为计算中忽略某个因素或某项内容的补充，与结构计算相似。按构造要求设计时，一般只需满足规范的最低要求。如梁箍筋加密的问题，梁的一侧是框架柱，另一侧是梁及梁的一侧垂直搭在剪力墙上，而另一侧搭在梁上，这种梁仅仅是作为支撑楼板用的普通梁，不像框架梁那样耗能，因此不需要箍筋加密，应在位于梁下部或梁截面高度范围内的集中荷载区域设置附加横向钢筋，并优先设置附加箍筋，此外当次梁放在主梁上面及梁上起柱时，主梁不必设置附加横向钢筋。当剪力墙结构中存在部分短肢剪力墙时，只需对短肢剪力墙的抗震等级提高一级而不需提高整体的抗震等级，分布筋、拉结筋、架立筋等起辅助作用的钢筋等级为一级或二级。

3 结构优化实例

某钢筋混凝土框架-剪力墙结构建筑由四层裙楼和A、B两栋高层建筑组成，A楼高74.2m，20层，B楼高88.3m，30层，地下两层为停车库和设备用房，房屋平面布置为不规则形状，总建筑面积约5.4万m2。

3.1设计优化的原则

通过大量计算和经验分析，在满足现行结构设计规范及规定的前提下，遵循保证结构的安全性及合理的刚度，对通过对可减小的结构构件进行有效的核减等措施来进行设计优化。

3.2结构优化设计

高层框架剪力墙结构体系中，重点是是水平荷载作用下，框架和剪力墙内力分配设计问题，其中剪力墙的数量及设计位置是关键。

3.3钢筋混凝土框架结构的优化设计

结构优化是一个渐进的寻优过程。首先对结构整体内力进行分析，然后根据梁柱各构件的控制内力进行截面的优化设计，计算出满足荷载效应要求的各结构构件的几何特征的配筋量的优化结果，在此基础上导致原结构的几何特征和荷载特征的变化，优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化，各控制截面的控制内力也发生相应变化，根据这些变化进行下一步的优化设计。

3.4框架-剪力墙结构的优化设计

框架结构优化设计的原则究其根本就是结构优化的原则，利用一次完成的结构件，优化各个构件，可以节约投资并使结构受力更加合理。

3.5基础优化设计

(1) 依据地质勘查资料，分别设计主楼和裙楼的基础，主楼采用筏板基础，裙楼采用独立基础，基础底板要按照经验和计算结果设置。例如在地下室基础的设计工作中，初步设计中地下室基础计划全部采用筏板基础，经审核计算，为达到节约钢筋、混凝土的目的提出纯地下室基础部分采用独立基础加抗浮底板及抗浮锚杆的做法，这种方案可以有效保证结构的安全，施工简便。因此对纯地下室基础采用独立基础加抗浮锚杆、底板方式设计施工图（图1）。

图1独立柱基础剖面

(2) 对地下室有防水要求的基础底板，裂缝宽度控制在0.2mm左右；地下室顶板及外墙，荷载取值要准确、可根据实际情况选用荷载。

(3) 作为塔楼的嵌固端，地下室的顶板不宜太薄，根据覆土薄厚情况，采用十字梁井字梁。

3.4.7楼板优化设计

根据楼板要预埋管道的要求，楼板较薄时施工容易造成裂缝，因此楼板设计时采用弹性假定而非塑性假定来计算楼板厚度及配筋的折减，最小配筋率取0.2和0.45ft/fy中较大值相同板厚时混凝土强度等级低、钢筋强度大时，最小配筋率低，故优先采用三级筋，板中抗裂钢筋最小配筋率为0.1%，不用或少用大跨厚板。

1.5优化设计效果

高层建筑的结构优化问题是一个非常复杂的工程难题，同时结构优化具有巨大的经济效益，因此研究和开发应用钢筋混凝土结构优化技术对节约工程投资具有重大意义。为验证设计优化的有效性，分析结构设计的初步方案，根据工程所在地的市场价格推算本工程的优化节约了钢筋65t，节约资金约32万元。

3结语

文章从钢筋混凝土结构优化设计应用出发，总结出了钢筋混凝土框架-剪力墙结构建筑优化设计方法，符合当前建筑结构设计发展的需要，具有一定的现实应用意义。建筑结构的优化设计是一个科学系统的设计过程，针对每一项工程设计，应当根据其建筑特点，使结构各个构件受力均衡，同时要求技术应用合理、结构整体安全可靠，充分发挥每个构件的最大作用。只有这样才能实现建筑结构优化设计的最终目的，以便更好地服务于我国建筑业的发展。

参考文献

[1]张民.钢筋混凝土框架-剪力墙结构设计的优化研究.上海：同济大学土木工程学院，2008.