多種截面桿件的結構抗風優化設計方法

【摘要】高層建筑抗風優化設計包括拓撲優化、形狀優化和尺寸優化，其中尺寸優化研究較為成熟，其研究成果被廣泛應用于實際工程中。結構抗風尺寸優化[1]的其實是在滿足結構各類安全指標要求的前提下，通過改變桿件尺寸使目標函數最小化的優化設計。對于已往的研究，僅僅對單一材料桿件且桿件截面類型相對較少的模型展開研究，但實際上，超高層建筑通常涉及到的桿件截面類型往往較多，包括鋼管混凝土、箱型截面、工字型截面等在實際超高層建筑結構中常用的。因此，本文考慮對多種截面桿件的結構的研究非常有必要，將有利于實際工程抗風優化設計。

【關鍵詞】超高層；尺寸優化；理想模型；桿件截面

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]

參考文獻：

[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.

作者簡介：

楊雷（1990-），男，碩士研究生，籍貫：上海，廣州大學，研究方向：超高層建筑結構抗風優化設計。