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建筑视角下某篮球馆钢结构桁架优化设计研究
时间:2020-09-28 09:23 | 栏目:建筑论文 | 浏览:次
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本文是一篇建筑硕士论文，本章节用 ANSYS 有限元分析软件分析了经过改进鸡群优化算法结构优化后的 GHJ-1 桁架和 CC-1 桁架，简单介绍了桁架模型的建立，并通过有限元计算结果及分析得出优化后的桁架结构满足强度和静态刚度要求。最后对桁架进行模态分析，得出前六阶的固有频率，从而得到共振频率，为钢管桁架结构体系的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
第 1 章 绪论
1.1 选题的背景及意义
随着人类社会的持续发展以及科技技术水平的提高，近几年，我国土木工程领域取得了大幅度的发展，人们在建筑工程的设计中，对于结构方案设定了更为严格的标准。如何在满足结构荷载及约束条件的前提下更有效地利用材料，充分地发挥材料的特性，不断的提高结构的安全性和稳定性，是工程界一直追求的目标。所以结构优化设计越来越受到人们的关注。近几年来，工程结构在优化设计方面取得了较大的提升，土木、机械、水利以及航空航天等领域都应用到了工程结构优化设计[1]。事实证明，将结构优化运用在工程设计领域，除了能够保障结构设计的水平，缩短设计周期，还能让传统设计中始终未能处理的复杂结构设计问题获得解决。 我国在十三五（2016 年至 2020 年）期间修建了许多大型基础设施和民用住宅，在经济建设这方面取得的成果显著。这些工程都对新技术进行了大量的运用，新的设计思维、设计概念的出现为工程带来了新机遇。这些工程体现出了对结构设计更高的要求。在满足规范要求的前提下，对结构进行优化设计，既能充分发挥材料的性能，也可以合理的设计结构的整体构架。根据统计，经过结构优化设计后的结构，比传统的设计方法节约 7%的材料，可以节约 20%-40%的复杂材料，可以降低 5％-30％的项目成本[2]。 结构是建筑物的骨架，建筑物是由多个结构组件组成的空间系统，用于承受建筑物的所有负荷。如何选择建筑物的结构形式直接影响建筑物的安全、经济和功能。目前，结构形式的设计过程是设计者根据建筑意图定义的，然后假定结构构件的大小和连接方式，进行计算，检查，审核等。如果不合格，则对原始设计进行修改和调整。这种方法仅限于设计者的水平，并且没有科学依据来确定结构是否合理。当今，随着计算机技术的飞速发展，现阶段计算机可以用来模拟一些复杂的大跨度结构。
1.2 结构设计优化的基本概况
结构优化设计起源于 1869 年的 Max-well 理论和 1905 年的 Michel 桁架。它是一门跨学科的学科。目前已经在交通、机械、建筑、电子等多个领域广泛应用[11-12]。 结构优化设计的前提条件是满足设计要求和满足约束条件，在此前提条件下，对工程结构进行优化设计。作为一种科学的、新兴的设计方法，这一方法主要是对过程进行假设分析，并通过搜索得出最优的设计方案，而进行搜索的过是对结构进行设计优化的过程，是整个设计方案的改善和优化。结构优化设计首先判定设计方案是否为最佳方案。如果不是，它将根据一些规则进行修改，以达到预期的最佳目标。优化的最终结果不仅是“可行的”，而且是“最优的”。设计方案会随着科学技术的不断发展和设计条件的不断改善而越来越优化。 结构优化设计旨在获得能够满足使用要求并确保安全的经济结构。它将数学优化理论与计算机技术相结合，并将其应用于结构优化设计。这种新的设计方法在理论上是全面的，其发展是计算力学、数学程序设计、计算机科学和工程学科相交和渗透的结果，这使结构设计从被动分析和验证到主动设计最优化成为可能。
第 2 章 桁架结构优化设计概述
桁架结构的每个杆件互相支撑，具有良好的完整性，高刚度，良好的抗震性能，并且还可以承受来自多个方向的载荷。桁架结构具有结构形式简单，运输和拆卸方便的优点。因此，大多用于大跨度的主受力结构和高层结构中。桁架结构的优化是在给定的约束条件下合理地优化桁架结构，最大极限使用每个构件，从而达到提高实际合理性，降低桁架结构质量，降低工程成本的目的。
2.1 桁架结构的发展历程
目前，在我国许多工程的施工中都会使用很多不同的桁架，可以说桁架的保驾护航无疑为人们的生活和生产提供了很多的便利之处。但是，不管是辉煌还是坎坷，每个事物都有自己的发展过程。桁架有其自己的发展过程，这可以通过历史见证。自 1998 年以来，桁架已在中国广泛用于搭建舞台、展示台、展览临时休息厅和加油站等。 桁架结构是最早应用在木桥及房屋等建筑上的结构。早在罗马时期，进行多瑙河的特雷江桥的修建时，所运用到的就是桁架结构。随着历史的发展，文艺复兴时期，木制桁架桥梁在意大利出现，这些桥梁主要分为朗式、汤式等。工业革命的出现为金属桁架的发展提供了机遇，次年，形状为三角形的华伦式桁架正式被运用在结构设计中。随着时代的不断发展，钢桁架、钢筋混凝土桁架、木桁架等都是常用的桁架结构[50]。
2.2 桁架结构的国内外研究现状
桁架结构经过多年的发展有诸多国内学者对其进行了研究，使桁架技术的发展和应用取得了长足进步。白鲁帅等在基于隔离非线性理论，提出了一种桁架结构隔震损伤行为识别方法。结果表明，该方法能准确有效地识别桁架结构局部损伤时的损伤位置和损伤程度[55]。吴琛泰等讨论了在主张力作用下桁架结构焊接接头处的热点应力集中系数。结果表明，管节点剪应力幅值越小，在节点位置所受到的应力较为集中；而扫把型的节点所受到的应力与管板节点的情况基本一致，但是在实际的作业过程中要更加复杂一些。应该按照热点应力 S-N 曲线进行疲劳性能评测的方式，对混凝土桁架结构按照管板节点所受应力进行评估，使之在抗疲劳性能方面满足设计要求[56]。宋正华等提出了一种用模式搜索法修正铰链桁架和铰链非线性刚度的方法。对铰接悬臂梁和单跨平面桁架进行了研究。结果表明，所提出的非线性结构模型修正方法能够修正非线性结构的动力参数。该方法具有较高的精度和一定的抗噪声能力[57]。韩庆华等采用增量动力法确定三维桁架结构薄弱部位的分布规律，然后用预先定义场的方法引入初始破坏构件，对结构在实际使用过程中破坏速度、极限以及塑性比等数据进行过分析。对多种失效状态下杆的情况进行分析。最后提出了提高结构连续抗倒塌能力的有效措施[58]。李亚南等对大型可膨胀环桁架天线结构进行了模态试验和有限元仿真分析，设计并处理了环桁架试验模型，构建出环桁架在实验状态下的有限元模型，并对其进行模拟分析。最后，进行了详细的分析。实验结果和有限元仿真结果证明了本文分析结果的真实性和可靠性[59]。柳剑波等研究了周期单元平面桁架结构等效动力学建模，将单元的应变场阶降为 Timoshenko 梁对应的应变场阶。然后利用哈密顿原理得到平面桁架结构的等效连续动力方程。建立等效连续体模型和有限元模型，分析了周期单元桁架的固有特性，验证了等效连续体模型的正确性和准确性[60]。闫星宇等提出了一种新的方法来研究细长杆件的后屈曲行为对整体结构的影响。用结构承载力控制设计方法对结构进行优化，得到的结果用提出的方法进行分析，并对受压构件的后屈曲性能进行了仔细的考虑。纠正网架结构整体性能前后的变化，正确评估结构的实际性能[61]。李雪平等建立了水平地震和垂直地震下的优化模型，主要是将体积作为设计的目标函数，将位移条件作为约束条件。再带入数据进行实例验证，对处于非平稳随机地震状态下桁架进行动力优化的可行性进行分析[62]。殷豪等按照北京瑞中心西塔对建筑造型的设计要求，对单桁架进行吊装作业时所受应力变化进行监测，通过对监测结果的分析总结，得出了大跨度桁架结构施工要点和方法[63]。
第 3 章 鸡群优化算法及其应用
3.1 鸡群优化算法的原理
3.2 鸡群优化算法的国内外研究现状
3.3 改进鸡群优化算法
3.4 改进鸡群优化算法的仿真测试
3.5 改进鸡群优化算法在桁架结构优化中的应用
3.6 本章小结
第 4 章 基于改进鸡群优化算法的钢结构桁架优化设计
4.1 工程概况
4.2 建立钢结构桁架结构优化设计的数学模型
4.3 钢结构桁架结构工程结构优化设计
4.4 本章小结
第 5 章 优化后桁架结构有限元分析
5.1 模型建立
5.2 有限元计算结果及分析
5.3 优化后模态分析
5.4 本章小结
结论与展望
结论
本文深入研究了鸡群优化算法的基本原理和实现方法，具体阐述了其他主流算法的运行原理和使用场合，对于优化算法的一些改进方案进行初步探讨。深入分析了简单鸡群优化算法和一些学者研究的优缺点。比如算法没有初始化，小鸡位置更新没有预防个体出界，算法没有整体的优化等。通过改进鸡群优化算法弥补初始算法的缺陷。并将优化后的鸡群算法应用于实际工程的优化设计，并将优化后的构件进行有限元分析。可以得到下面结论：
（1）本文首先提到了结构优化与智能算法的形成以及发展历史。在结构优化设计和智能优化算法方面，我国与国外相比仍有一定的差距。应加强对结构优化与智能算法相结合这一领域的研究。全面阐述和分析了鸡群优化算法的运行机制以及实现路径，深入阐述了一些主要算法的使用环境和运行机制，对于优化算法的使用环境与改善方法进行探讨。对鸡群优化算法继续改进，将混沌策略和反向学习策略相结合的概念进入到初始化中，保证全局搜索能力；母鸡位置更新上加入偏好随机动态惯性权重因子，增强算法稳定性；再次在小鸡位置更新过程中引入惯性权重因子和学习因子，做到更好的结合全局和局部搜索，并通过边界处理预防个体出现越界；最后通过差分进化算法对算法整体个体位置优化。
（2）将改进后的鸡群优化算法应用于多峰值函数测试，验证了改进后的鸡群优化算法拥有较好的收敛精度和寻找最优值的能力。并将改进后的鸡群优化算法应用于 25 杆、52 杆、72 杆和 200 杆桁架优化设计，通过和其他优化算法的对比分析，进而能够发现，改进鸡群优化算法具备突出的优势，验证了有效性和可行性。
（3）将改进后的鸡群优化算法应用到某篮球馆钢结构主受力桁架结构实际工程中，借助专业软件对桁架的结构改进进行仿真模拟，随后根据改进结果能够观察到：改进后的鸡群优化算法在工程中的运用优势更为显著，一般不会面对局部最优解的问题。此外和其他优化算法进行对比分析，这种算法的性能更加优越，可应用于土木工程结构优化领域。
（4）将优化后的桁架结构通过建模，进行 ANSYS 有限元分析，进行静强度分析，包括位移分析与内力分析，从而认为优化改进后的结构满足强度和静态刚度要求。后续利用模态分析，得到固有频率，从而得到共振频率，为钢管桁架结构体系的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特征的改进设计带来更多参考与借鉴。
展望
本文虽然取得了积极的成果，但是还存在着很多不足。比如在优化的对象上比较单一，对于结构拓扑优化以及形状优化等问题并未进行阐述分析。另外，在复杂结构方面的研究还很缺乏。所以我们认为桁架结构的优化设计还存在许多问题，值得进一步研究。 鸡群优化算法简单易行，具有很大的优势。在其他领域已经取得了显著的应用效果。如果能广泛应用于土木工程结构优化领域，将大大减少研究人员的工作量，并提升结构优化效率，为以后的结构优化问题提供了新的方法与思路。
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