多種截面桿件的結構抗風優化設計方法

文/楊雷、魏響雷、謝程柱 廣州大學 廣州大學淡江大學工程結構與控制聯合研究中心 廣東廣州 510006

在文獻[2]中，推導并驗證了圓鋼管混凝土截面、箱型截面、工字型截面的位移函數。《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）[3]對在風荷載作用下的結構位移作了相應的限制要求, 頂層水平位移與建筑高度之比限值為1/550，層間位移與層高之比限值為1/550。本章以一個21層三維框架結構為例子，見圖1（a）、（b）包含圓鋼管混凝土柱、矩形截面梁、箱型截面梁、工字型截面梁采用OC[4-6]法來進行結構優化。

1、案例分析

一個21層框架結構包含圓鋼管混凝土柱、矩形截面梁、箱形截面梁，工字形截面梁開展建筑結構抗風優化研究。圖2-2給出了優化的有限元模型，建筑總高為69.3米，層高為3.3米，X和Y方向跨度均為6米，桿件布置具體見表2，材料為鋼材和混凝土兩種材料組成的圓鋼管混凝土截面，其中混凝土強度為C50，鋼材強度為Q345；梁為混凝土矩形截面，材料采用C50混凝土。風荷載計算見表1

2、本章小結

基于推導的公式[1]，針對一含有多種截面梁的21層框架結構以位移、層間位移作為約束條件進行了的抗風優化設計分析,滿足條件,并得出結論:1）圖1（j）以位移為約束能有效控制結構的位移,圖（k）層間位移達到限值2）在結構優化過程中,層間位移約束起主導作用3）圖1（i）優化后的鋼管等截面變大,導致總造價增大,符合實際要求。4）其他變量根據圖1（c）、（d）、（e）、（f）、（g）、（h）全部收斂，滿足OC法[4-6]

[1]Chan C.M. Optimal lateral stiffness design of tall buildings of mixed steel and concrete construction[J]. The Structural Design of Tall Buildings,2001,10（03）:155-177.

[2]徐安,賀美花,陽露,等.帶有鋼管混凝土柱的結構抗側力優化設計方法研究[J].建筑科學,2015,31（11）:8-15.

[3]JGJ3-2010.高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社,2010.

[4]Chan C M. Optimal lateral stiffness design of tall buildings of mixed steel and concrete construction[J]. The Structural Design of Tall Buildings,2001,10（03）:155-177.

[5]Chan C M. How to optimize tall steel building frameworks. Guide to structural optimization [M]. Reston:ASCE,1997.

[6]Huang M F, Chan C M, Lou W J. Optimal performance-based design of wind sensitive tall buildings considering uncertainties [J]. Computers& Structures,2012（98）:7-16.