序論：寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇結構優(yōu)化方法范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

篇(1)

關健詞 船舶結構；優(yōu)化；設計方法

中圖分類號 U66 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）103-0100-02

進行船舶結構優(yōu)化設計的目的就是尋求合適的結構形式和最佳的構件尺寸，既保證船體結構的強度、穩(wěn)定性、頻率和剛度等一般條件，又保證其具有很好的力學性能、經(jīng)濟性能、使用性能和工藝性能。隨著計算機信息技術的發(fā)展，在計算機分析與模擬基礎上建立的船舶結構的優(yōu)化設計，借鑒了相關的工程學科的基本規(guī)律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的優(yōu)化設計方法也取得了較大的進步；建立在人工智能原理與專家系統(tǒng)技術基礎上的智能型結構設計方法也取得了突破性進展。

1經(jīng)典優(yōu)化設計的數(shù)學規(guī)劃方法

結構優(yōu)化設計數(shù)學規(guī)劃方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他認為在進行結構設計時應當把給定條件的結構尺寸的優(yōu)化設計問題轉變成目標函數(shù)求極值的數(shù)學問題。這一方法很快得到了其他專家的認可。1966年，D.Kavlie與J.Moe 等首次將數(shù)學規(guī)劃法應用于船舶的結構設計，翻開了船舶結構設計的新篇章。我國的船舶結構的設計方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潛艇在中剖面、框架、板架和圓柱形耐壓殼等基本結構的優(yōu)化設計方法。

由于船舶結構是非常復雜的板梁組合結構，在受力和使用的要求上也很高，所以在進行船舶結構的優(yōu)化設計時，會涉及到許多設計變量與約束條件，工作內容很多，十分困難。船舶結構的分級優(yōu)化設計法就是在這個基礎上產(chǎn)生的，其基本思路是最優(yōu)配置第一級的整個材料，優(yōu)選第二級的具體結構的尺寸。每一級又可以根據(jù)具體情況劃分成若干個子級。兩級最后通過協(xié)調變量迭代，將整個優(yōu)化問題回歸到原問題。分級優(yōu)化方法成功地解決了進行船舶優(yōu)化設計中的剖面結構、船舶框架和板架、潛艇耐壓殼體等一系列基本問題。

2 多目標的模糊優(yōu)化設計法

經(jīng)典優(yōu)化設計的數(shù)學規(guī)劃方法是在確定性條件下進行的， 也就是說目標函數(shù)與約束條件是人為的或者按某種規(guī)定提出的，是個確定的值。但是在實際上， 在船舶結構的優(yōu)化設計過程、約束條件、評價指標等各方面都包含著許多的模糊因素，想要實現(xiàn)模糊因素優(yōu)化問題， 就必須依賴于模糊數(shù)學來實現(xiàn)多目標的優(yōu)化設計。模糊優(yōu)化設計問題的主要形式是：

式中j 和j分別是第j性能或者幾何尺寸約束里的上下限。

模糊優(yōu)化設計方法大大的增加了設計者在選擇優(yōu)化方案時的可能性， 讓設計者對設計方案的形態(tài)有了更深入的了解。目前，模糊優(yōu)化設計法發(fā)展很快， 但是，還未實現(xiàn)完全實用化。多目標的模糊優(yōu)化設計法的難點主要在于如何針對具體設計對象， 正確描述目標函數(shù)的滿意度與約束函數(shù)滿足度隸屬函數(shù)的問題。

3 基于可靠性的優(yōu)化設計方法

概率論與數(shù)理統(tǒng)計方法首先在40 年代后期由原蘇聯(lián)引入到結構設計中， 產(chǎn)生了安全度理論。這種理論以材料勻質系數(shù)、超載系數(shù)、工作條件系數(shù)來分析考慮材料、載荷及環(huán)境等隨機性因素。早在50年代，人們就在船舶結構的優(yōu)化設計中指出了可靠性概念，隨后，船舶設計的可靠性受到人們的重視，開始研究可靠性設計方法在船舶結構建造中的應用。

船舶結構可靠性的理論和方法根據(jù)設計目標的不同要求， 可以得出不同的結構可靠性的優(yōu)化設計準則。大體分為以下3種：

1）根據(jù)結構的可靠性R·，要求結構的重量W最輕，即：

MinW（X），s.t.R ≧R·

2）根據(jù)結構的最大承重量W·， 要求結構的可靠性最大或者破損概率最小，即：

Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·

3）兼顧結構重量和可靠性或破損概率， 實現(xiàn)某種組合的滿意度達到最大，即：

Max[a1uw（X）+a2upf（X）]

式中， a1，a2分別代表結構重量和破損概率的重要度程度， 而且滿足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分別為代表相應的滿意度。

關于船舶結構的可靠性優(yōu)化設計方法的研究越來越多， 逐漸成為船舶的結構優(yōu)化設計中的重要方向。但是，可靠性的優(yōu)化設計方法除了在大規(guī)模的隨機性非線性規(guī)劃求解中存在困難外， 還有一個重要的難點在于評估船舶結構可靠性的過程很復雜， 而且計算量大。

4 智能型的優(yōu)化設計方法

隨著人工智能技術（Al）和計算機信息技術的發(fā)展， 給船舶結構的優(yōu)化設計提供了一個新的途徑，也就是智能型優(yōu)化設計法。

智能型的優(yōu)化設計法的基本做法為：搜索優(yōu)秀的相關產(chǎn)品資料，通過整理，概括成典型模式，再進行關聯(lián)分析、類比分析和敏度分析尋找設計對象和樣本模式間的相似度、差異性與設計變量敏度等，按某種準則實施的樣本模式進行變換， 進而產(chǎn)生若干符合設計要求的新模式， 經(jīng)過綜合評估與經(jīng)典優(yōu)化方法的調參和優(yōu)選， 最終取得最優(yōu)方案。

智能型的優(yōu)化設計法法的優(yōu)點是創(chuàng)造性較強，缺點是可靠性較弱。所以在分析計算其產(chǎn)生的各種性能指標時，應當進行多目標的模糊評估， 必要時還應當使用經(jīng)典優(yōu)化方法對某些參數(shù)進行調整。

5 結論

通過本文對船舶結構優(yōu)化設計方法的研究，我們得出在進行船舶結構優(yōu)化設計的時候， 往往會涉及到很多相互制約和互相影響的因素， 這就需要設計人員權衡利弊， 進行綜合考察， 不但要進行結構參數(shù)與結構型式的優(yōu)選，而且還要針對具體情況對做出的方案進行評估、優(yōu)選和排序。通過什么準則對不同的方案進行綜合評估，得出最優(yōu)方案， 成為專家和設計人員需要繼續(xù)研究的問題。

參考文獻

[1]郭軍，肖熙.基于可靠性的船體結構多目標優(yōu)化設計[J].上海交通大學學報，2010（1）.

篇(2)

[關鍵詞]型鋼混凝土；組合結構；優(yōu)化設計方法

中圖分類號：TU398.9 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）01-0136-01

型鋼混凝土結構主要由以下兩個方面組成：①型鋼混凝土柱；②型鋼混凝土梁。型鋼混凝土具有承載力高以及彈塑性好等特點，目前來看，型鋼混凝土在工程應用方面有很大的發(fā)展前景。型鋼混凝土結構中的單調加載條件與循環(huán)加載條件下的受力性能研究有較大的應用前景，在循環(huán)荷載作用下呈現(xiàn)出較好的性能。從型鋼混凝土結構應力發(fā)展裂縫情況不難看出，型鋼混凝土結構在水平荷載作用下被分為以下三個階段：①塑性破壞階段；②彈性階段；③彈塑性階段。國內外的相關實驗研究結果表明，型鋼混凝土結構在低周反復荷載作用下具有良好的耗能能力，尤其是在型鋼混凝土結構的延性以及剛度方面。

1 型鋼混凝土組合結構的基本特點

型鋼混凝土組合結構主要指的是把型鋼埋入到混凝土中的結構形式，在操作過程中主要先通過定位放線最后再進行混凝土澆筑，被分為以下兩種類型：①部分結構構件采用型鋼混凝土結構形式；②全部結構構件采用型鋼混凝土結構形式。上述兩種結構類型都適用于以下四種結構：①框架結構；②底部大空間剪力墻結構；③筒中筒結構；④框架-剪力墻結構。與傳統(tǒng)的型鋼結構相比，具有以下三個方面的優(yōu)點：①能夠更為節(jié)約鋼材；②具有良好的耐久性以及耐火性；③受力性能良好。與鋼筋混凝土結構相比，型鋼混個凝土組合結構具有以下三個方面的優(yōu)點：①施工周期較短；②抗震性能較好；③承載力較高。型鋼混個凝土組合結構具備以下兩種結構類型的特點：①型鋼結構類型；②鋼筋混凝土結構類型。為了讓人們能夠更加清楚了解型鋼混個凝土組合結構結構，筆者將針對型鋼混個凝土組合結構的混凝土和型鋼的計算和優(yōu)化方法進行研究。舉例來說，型鋼混個凝土組合結構中的型鋼與混凝土之間相互約束，在一定程度上提高了混凝土的強度和型鋼的強度，有效增加了整體構件的延性、構件抗震性能以及改善混凝土本身不利于抗震的脆弱性。眾所周知，智利是地震多發(fā)國家，智利國家尤其重視型鋼混個凝土組合結構的性能研究和基礎工程應用。例如，1973年建成的圣地亞哥，其所用結構為型鋼混凝土組合結構，在地震中基本沒有受到很大損毀，繼而引起了日本建筑工程行業(yè)的重視。

2 型鋼混個凝土組合結構優(yōu)化設計的基本方法

型鋼混個凝土組合結構在優(yōu)化設計中基本以變量結構的參數(shù)形式出現(xiàn)，在根據(jù)相關要求的基礎上，形成型鋼混個凝土組合結構方案。簡而言之，型鋼混個凝土組合結構優(yōu)化設計主要利用數(shù)學手段，并且按照設計者所規(guī)定的要求從中選出一個最為理想的方案。型鋼混個凝土組合結構優(yōu)化設計主要表現(xiàn)如下：①以有限單元法為基礎的分析方法；②以數(shù)學規(guī)劃為計算手段；③以現(xiàn)代高速計算機為工具；④最終得出設計方案。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，優(yōu)化設計的過程具備靈活性等特點，再通過有限次的計算能夠使得結構設計方案逐漸改善。筆者將根據(jù)相關工作經(jīng)驗，針對型鋼混凝土組合結構優(yōu)化問題算法來進行簡單介紹：①簡單解法；②數(shù)學規(guī)劃法；③準則法。

（1）簡單解法。當設計變量處于不多的情況下，可以采用簡單解法。一般來說，圖解法對設計變量小于或者等于2h，效果達到最為理想。對于柱與板的優(yōu)化設計問題需要采用松弛變量法，此種方法對求解約束條件要求不是很高。

（2）數(shù)學規(guī)劃法。數(shù)學規(guī)劃法（Mathematical Programming，MP）從結構力學的基本原理角度出發(fā)，選用MP來尋找設計參數(shù)的最優(yōu)解。此種解答方法發(fā)展比較早，用途也較為廣泛。數(shù)學規(guī)劃法中主要包含以下幾個方面的解法：①線性規(guī)劃；②非線性規(guī)劃；③動態(tài)規(guī)劃；④幾何規(guī)劃。其中線性規(guī)劃問題的解決方法較為成熟，在處理目標函數(shù)方面能夠設計變量的線性函數(shù)問題。非線性規(guī)劃則主要應用目標函數(shù)的方法，結構的優(yōu)化設計有約束的非線性規(guī)劃問題，在解答過程中有較大難度。例如，目前最常使用的導數(shù)分析方法以及梯度投影法等。

（3）準則法。準則法主要從工程方面的觀點出發(fā)，從預先規(guī)定的結構來滿足相關準則（能量準則、位移準則、頻率準則以及應力準則等），為了滿足上述準則條件應該使用結構最輕的材料。使用的相關方法為：利用最為優(yōu)化的桿系結構，重新分析設計變量初始，一旦計算量不夠大時，需要使用已經(jīng)設定好的幾個布局。準則法有其自身的缺陷，從工程應用方面來看，型鋼混個凝土組合結構結構比較方便，能夠更容易被人接受。在早期，準則法能夠滿足應力設計，將結構桿件的應力在某種情況下達到允許的范圍力之內，充分發(fā)揮出材料強度的潛力。上述所說的方法在發(fā)展的基礎上與框架結構的應力設計兩者相互結合，從而處理彈性穩(wěn)定方面以及位移方面等約束條件。

3 型鋼混個凝土組合結構優(yōu)化設計的基本原理

型鋼混個凝土組合結構由柱構件與規(guī)則截面的桿系梁組成，在設計過程中均采用部分優(yōu)化的方法。在滿足相關建筑要求的情況下進行結構的平立面布置（抗震功能首先考慮原則基礎上），進一步確定好梁的跨度與柱的高度。基于此，按照經(jīng)濟跨高比和框架梁進行初步選型，最終得出型鋼混個凝土組合結構的初始截面。在上述初始方案基礎上，采用有限單元法分析不同荷載情況下的受體力分析，最后得到剪力、軸力的組合值，再計算出常規(guī)設計所需要的參數(shù)值。例如，柱的計算長度以及梁的剪跨比等指標。將型鋼混個凝土組合結構離散柱構件與桿系梁根據(jù)已經(jīng)得到的受力條件來優(yōu)化設計柱與梁，再得到工程的總造價。利用變量方法來進行二次處理，直到前后2次的設計方案能夠接近并且最終得到優(yōu)化設計方案。簡而言之，確定好方案1之后再進行結構整體分析，通過分部方案1優(yōu)化得到方案2，在進行分部優(yōu)化設計時，需要注意以下幾個方面：①利用結構分析得到剪力值、軸力值，繼而能夠優(yōu)化截面；②對于超靜定結構，初始截面的選擇相對于構件內力所需要的截面來說不夠充分，優(yōu)化后構件的截面將會有效增大，重新分析構件內力時將會取得更大的效果。對于超靜定結構優(yōu)化過程，其構件內力始終和截面保持不一致，此種差距不會隨著結構重分析次數(shù)的增加而減少，在優(yōu)化構件設計時，對結構的內力應該引M超松弛系數(shù)，S′=S（S/R）α，其中S′代表構件內力，S為前一次結構重分析得到的構件內力，R為優(yōu)化前構件抗力；α代表超松弛系數(shù)，α=0.4。

型鋼混凝土框架梁的截面寬度不宜小于300mm，截面的高度和寬度的比值不宜大于4，為了進一步保證框架梁對框架節(jié)點的約束作用，便于施工過程中能夠充分考慮到截面高度比值、寬度比值等，型鋼混凝土框架梁在支座處和上翼緣受有較大固定集中荷載處，應在型鋼腹板兩側對稱設置支承加勁肋。

4 結束語

綜上所述，型鋼混個凝土組合結構作為一種工程方法，型鋼混個凝土組合結構連續(xù)變量所得到的結果不能夠直接被應用，在初步優(yōu)化設計方法基礎上，收斂的速度也能夠接近優(yōu)化解，當變量較多時此種途徑能夠帶來較寬的時間效益。

參考文獻：

[1]王秋維，史慶軒，侯煒，等.型鋼混凝土框架結構基于增量動力分析的抗震性能評估【J】.世界地震工程，2011，27.

篇(3)

關鍵詞：隔膜泵；隔膜腔；機械強度；ANSYS

中圖分類號：TH323 文獻標識碼：A

作為高壓隔膜泵液力端的核心部件，隔膜腔在輸送固液兩相流體過程中起到了非常重要的作用。隔膜腔用于連接隔膜室蓋、進料閥和出料閥，因此隔膜腔的設計過程中需要考慮流體壓力、螺栓預緊力和其他因素的影響。本文以某大型高壓隔膜泵中隔膜腔為研究對象，基于有限元方法對隔膜腔進行了靜力強度分析。通過ANSYS的后處理分析模塊獲得了隔膜腔的應力分布，扭曲和應力線性化結果。根據(jù)ASME VIII-2標準對隔膜腔的機械強度進行了校核，并在此基礎上對隔膜腔的結構進行改進設計。分析結果可為隔膜腔的結構優(yōu)化設計和降低成本提供一定的理論基礎。

1 有限元模型的建立

圖1（a）給出了隔膜腔的剖面圖，從圖中可以看出兩個內腔圓角和最小壁厚分別用R1，R2和d表示。通過三維設計軟件SolidWorks畫出隔膜腔的1/4對稱模型，如圖1（b）所示。隔膜腔的材料采用ZG20Mn，材料屬性如下：拉伸強度σb為510MPa，屈服極限σs為295MPa。根據(jù)ASME相關標準，材料的許用應力可通過下式計算出來。

Sm=min（σb/2.4， σs/1.5）（1）

將SolidWorks建立的隔膜腔幾何模型輸出為SAT格式檔并導入有限元分析軟件ANSYS，在ANSYS的前處理模塊對隔膜腔劃分網(wǎng)格。應力集中區(qū)域需要局部網(wǎng)格加密，最后獲得隔膜腔有限元模型的單元數(shù)為173812，節(jié)點數(shù)為36952。根據(jù)隔膜泵實際的工作狀態(tài)，定義隔膜腔的邊界條件和載荷如下：隔膜腔的對稱面施加對稱邊界約束，定義隔膜腔和隔膜室蓋螺栓連接處施加600000N的預緊力，隔膜腔和出料閥螺栓連接處定義80000N的螺栓預緊力，隔膜腔內受液體壓力的面施加20MPa的壓力。圖2給出了隔膜腔的載荷約束圖。

2 應力分類及強度評定

圖3給出了隔膜腔的Von Mises應力圖和位移云圖。從圖中可以看出最大應力出現(xiàn)在隔膜腔的相貫線處。根據(jù)ASME VIII-2標準，定義了用于強度校核的四條線性化的應力計算路徑，如圖4所示。選擇這些路徑的原理如下：沿著壁厚的方向，根據(jù)最大應力節(jié)點定義一條或多條應力計算路徑。應力線性化計算路徑還應當在隔膜腔的應力集中區(qū)域進行定義。

根據(jù)應力產(chǎn)生的原因、應力集中區(qū)域和應力的性質，壓力容器應力可以大致分為：主整體膜應力（Pm），主局部膜應力（PL），主彎曲應力（Pb）和次應力（Q）。利用這些應力和如下的校核方法可對隔膜腔的強度進行校核：主總體膜應力的等效值應當小于金屬材料的許用應力（Sm）。考慮到應力的位置，主局部膜應力的等效值應當小于1.5倍材料許用應力（1.5Sm）。根據(jù)極限載荷設計理論，當膜應力和彎曲應力同時存在時，他們的和應當小于1.5倍的材料許用應力（1.5Sm）。更進一步考慮次應力的限制條件時，Pm（PL）+Pb+Q應當小于3倍的材料許用應力（3Sm）。

通過ANSYS的后處理模塊，畫出了沿著四條應力計算路徑的等效應力變化曲線，如圖5所示。四條應力計算曲線的最大等效應力列在了表1中。

表1 不同路徑的最大等效應力

路徑 薄膜應力（MPa） 薄膜+彎曲（MPa） 總應力（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

將表1中的應力數(shù)據(jù)帶入應力校核公式，可獲得隔膜腔的應力校核結果，如式2-5所示。結果表明隔膜腔的應力滿足強度使用要求。

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）

通過修改隔膜腔的結構來優(yōu)化隔膜腔的結構并降低制造成本。結構的修改方法如下：保持內腔幾何尺寸不變，壁厚減小30mm，修改結構前后的模型對比如圖6所示。

根據(jù)相同的應力分析方法，用ANSYS軟件對修改結構后的隔膜腔進行應力分析。修改結構后的隔膜腔的應力線性化路徑的定義位置與改結構之前的位置相同。修改結構的隔膜腔的最大等效應力列在表2中。

表2 不同路徑的最大等效應力

（修改結構）

路徑 薄膜應力（MPa） 薄膜+彎曲 （MPa） 總應力（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

根據(jù)表2中的等效應力，按照ASME VIII-2標準對隔膜腔的強度進行校核，可以看出修改結構后的隔膜腔同樣滿足強度要求。

3 結論

通過對用于遠距離管道輸送的某型隔膜泵隔膜腔的應力分析和校核，可得到如下結論：

可通過有限元分析軟件ANSYS對隔膜腔進行靜應力分析，并且獲得了工作壓力下隔膜腔的最大應力位置和最大應力值。

根據(jù)ASME VIII-2標準中對應力的分類，在隔膜腔1/4對稱模型上定義了四條不同的應力線性化計算路徑，并且通過ANSYS后處理模塊獲得了等效應力變化曲線。隔膜腔的機械強度通過相關的應力校核方法進行了校核，結果顯示修改結構前后的隔膜腔結構均滿足強度要求。

通過減小壁厚獲得了一種新的隔膜腔結構，新結構通過校核滿足強度使用要求，通過比較結構，發(fā)現(xiàn)新結構減小了重量，降低了制造成本。

參考文獻

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

篇(4)

針對傳統(tǒng)的安全因數(shù)法考慮載荷和強度不確定性因素對飛機安全性的影響太籠統(tǒng)，無法從根本上減輕飛機結構質量的問題，提出一種飛機結構可靠性優(yōu)化設計方法.根據(jù)應力強度干涉模型計算結構單元的可靠度，建立以單元滿可靠度為準則的優(yōu)化模型，實現(xiàn)包含可靠性約束的結構尺寸優(yōu)化.該功能已經(jīng)加入到COMPASS中.算例結果表明該方法能夠減輕結構質量，改善結構可靠度. 該方法為開展飛機結構不確定性設計提供技術手段.

關鍵詞：

飛機； 薄壁結構； 準則法； 可靠性； 優(yōu)化設計； 關鍵元； COMPASS

中圖分類號： V214.19

文獻標志碼： B

0引言

隨著輕質材料的大量應用，飛機結構的質量越來越輕、性能越來越好.例如，歐美兩大飛機制造商空客和波音公司最新研制的A350和B787客機，復合材料的使用量已達到甚至超過50%，新型金屬合金材料也占有較高的比例.輕質材料的大量使用雖然能大幅減輕結構質量，但并不能從根本上解決結構質量突出的問題，主要原因在于當前飛機結構設計仍沿用確定性設計思想即安全因數(shù)法，該方法比較保守，籠統(tǒng)考慮載荷和強度不確定性因素對安全性的影響.[1]為解決傳統(tǒng)設計存在的不足，飛行器設計嘗試開展可靠性設計.[2]在現(xiàn)有工程結構優(yōu)化的基礎上，本文提出一種可行的結構可靠性優(yōu)化設計方法，并以結構優(yōu)化設計系統(tǒng)COMPASS為平臺，研究考慮可靠性約束的結構優(yōu)化設計.目前，該方法主要針對飛機薄壁結構，其他結構需展開相應研究，包括失效分析和可靠性分析等.

1優(yōu)化設計現(xiàn)狀

篇(5)

關鍵詞：可靠度；橋梁結構；優(yōu)化；設計

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

中圖分類號：S611文獻標識碼：A 文章編號：

1引言

橋梁結構設計的基本原則是安全、適用和經(jīng)濟。傳統(tǒng)的橋梁結構設計主要是采用定值設計的方法，既不能描述和處理橋梁結構中客觀存在的各種不確定性因素，也不能定量地分析計算安全、適用及經(jīng)濟的各項指標，更無法科學地協(xié)調它們之間的矛盾，使它們達到合理的平衡。事實上，傳統(tǒng)設計方法追求的是一個滿足設計規(guī)范條件下的最低水平設計，因而提出新思路、研究新方法是十分必要的。

當前，結構優(yōu)化設計在橋梁工程領域日益受到重視，但其應用的范圍和程度還很不理想。其原因除了橋梁工程設計取費標準不利于推動優(yōu)化技術之外，還可歸結為橋梁工程結構優(yōu)化問題的如下特點：

（1）橋梁工程結構設計中的大量不確定性。如外部環(huán)境（荷載和結構所處場地類型等）的不確定性、結構本身的不確定性（結構材料性能、截面幾何參數(shù)和計算模式的精度等不確定因素導致的結構構件抗力的不確定性）、結構整體分析中由于模型簡化的誤差而導致的不確定性等。為了充分考慮所涉及到的各種不確定性因素（目前主要考慮隨機性因素），必須采用結構可靠度理論。

（2）橋梁工程結構設計準則的多重性。包括承載能力極限狀態(tài)設計、正常使用極限狀態(tài)設計以及與其它特殊功能要求相聯(lián)系的極限狀態(tài)。

（3）結構優(yōu)化目標的多樣性。對橋梁工程來說，人們既要求在目標方面考慮結構造價，還要考慮不同功能的失效概率和失效損失造成的失效損失期望、結構運行和維修費用等在內的經(jīng)濟指標，還可以以某些特定結構功能為目標。另外，目標函數(shù)的性質也很復雜，既有設計變量的顯式函數(shù)（結構的重量或造價），又有設計變量的非線性、高度隱式函數(shù)（結構的失效損失期望）；而且由結構造價和結構損失期望的加權和所構成的統(tǒng)一目標函數(shù)不具有對設計變量的單調性。

2結構優(yōu)化模型

基于可靠度的橋梁結構優(yōu)化模型可以決策出各個構件的最優(yōu)可靠度，各個構件的優(yōu)化設計就是以最小的造價實現(xiàn)它的最優(yōu)可靠度。這就將結構整體優(yōu)化設計方法轉化為一個兩層次的結構優(yōu)化設計問題。

2.1層次一――結構可靠度的最優(yōu)分配

在無約束條件下，尋求結構可靠度的最優(yōu)分配就是求解如下的數(shù)學規(guī)劃：求

Psii＝1，2，…，K…。

min W＝C＋L（1）

式中：W為目標函數(shù)；C為結構造價；L為結構的損失期望；K為構件數(shù)目；Psi為第i個構件的可靠度。

以上模型中的C和L目前只能利用經(jīng)驗統(tǒng)計法、半理論半經(jīng)驗法等求得其近似表達式。

對不同的結構及不同的情況（如考慮構件失效的相關性及構件之間的串并邏輯關系），C和L具有不同的表達形式。因此，尋求C和L的合理表達式是有待于進一步研究的問題。

結構可靠度的最優(yōu)分配模型中，采用目標函數(shù)W＝C＋L，將多目標優(yōu)化問題轉化為單目標優(yōu)化，使問題得到了極大的簡化。

求解數(shù)學規(guī)劃（2），便可決策出各個構件的最優(yōu)可靠度Psi＊（i＝1，2，…，K）。它們是從結構整體的近期效益和長遠效益出發(fā)，結合投資條件為各個構件規(guī)定的控制指標，既是安全的指標，又是經(jīng)濟的指標，因而是各個構件的最佳控制標準。

2.2層次二―――結構中的構件優(yōu)化

在決策Psi＊（i＝1，2，…，K）時己考慮了結構的近期投資和長遠效益，因此，在構件設計變量的細部優(yōu)化時就只需考慮如何以最小的造價Ci＊（i＝1，2，…，K）使構件具有規(guī)定的可靠度即可。這就是結構整體利益指導下的構件變量優(yōu)化設計。它的數(shù)學模型就是解如下的數(shù)學規(guī)劃：

求X

min C（X）

s.t.PS（X）＝PS＊（2）

式中：X為設計變量，為了一般化，上式中的符號均未加下標。

解決問題的另一途徑就是找出結構造價和可靠度之間的比較精細合理的函數(shù)關系，這時，C（PS＊）就是構件最合理的造價。

3結構優(yōu)化設計研究方向

基于可靠度的橋梁結構優(yōu)化設計，應重點研究和解決以下問題：

3.1研究符合橋梁結構特點的、實用可行的優(yōu)化模型。

3.2研究橋梁結構各構件的邏輯功能關系。

在結構體系可靠度理論中，研究較多較成熟的是“串聯(lián)系統(tǒng)”，因此，如何將橋梁結構劃分為若干具有串聯(lián)關系的單元（單元可以是單個構件，也可以是構件的組合，這種組合可能出現(xiàn)并聯(lián)關系或混合關系），也是一個十分有意義的問題，可使問題得到簡化。

3.3研究單元（構件）失效之間、失效模式之間的相關性問題。

可靠度計算是結構優(yōu)化過程中非常關鍵的環(huán)節(jié)，為此，合理考慮各單元（構件）失效間的相關性及失效模式間的相關性是非常重要的。

4基于可靠度的結構優(yōu)化水平的劃分

基于可靠度的結構優(yōu)化方法按其設計變量的特性可劃分為四個優(yōu)化水平，分別是：水平一：截而優(yōu)化，以截而尺寸作為設計變量；水平二：形狀優(yōu)化，以截而尺寸和描述形狀的幾何尺寸作為設計變量；水平二：結構優(yōu)化，以截而尺寸、描述形狀的幾何尺寸和結構特性參數(shù)作為設計變量；水平四：總體優(yōu)化，以截而尺寸、描述形狀的幾何尺寸、結構特性參數(shù)和材料參數(shù)作為設計變量。

5結語

從確定性的設計方法向概率設計方法方向發(fā)展，這是當前結構工程設計的發(fā)展趨勢。計入作用和結構抗力實際上存在的隨機性和將主要依靠直觀經(jīng)驗確定的安全系數(shù)變?yōu)橄到y(tǒng)地應用統(tǒng)計數(shù)學定量給出一定基準期內結構的失效概率和統(tǒng)一可比的可靠指標，無疑是工程設計思想、概念和方法上的突破。基于可靠度的結構優(yōu)化方法的研究和工程應用的前景將十分廣闊。

參考文獻:

[1]葉見曙.結構設計原理[M].北京:人民交通出版社,1998.

篇(6)

【關鍵詞】建筑結構；優(yōu)化設計

中圖分類號：TU3文獻標識碼： A

一、前言

建筑結構優(yōu)化設計是指在滿足各種規(guī)范或某些特定要求的條件下，使建筑結構的某種指標，如結構形式、重量、剛度、造價等，達到最佳的設計方法。優(yōu)化設計就是要在所有可用方案和做法中，按某一目標選出最優(yōu)的方法。隨著科學技術的不斷創(chuàng)新，推動經(jīng)濟不斷向前快速發(fā)展，人們對物質生存環(huán)境提出了更高要求，而建筑是人類物質生存環(huán)境的重要載體。近年來，節(jié)約環(huán)保型社會建設理念的不斷深入人心，進一步加劇了建筑的需求者與供應者對建筑結構優(yōu)化設計的需要。建筑結構的優(yōu)化設計，不但滿足了投資者控制建筑投資成本的目標，而且更加符合使用者對建筑本體功能的需求，從而實現(xiàn)了社會整體經(jīng)濟效益的最大化。因此，建筑結構的優(yōu)化設計，在市場經(jīng)濟下的節(jié)約環(huán)保型社會越來越成為可行。

二、建筑結構優(yōu)化設計的原則:

2.1功能性

建筑是人類的基礎物質生存環(huán)境，建筑結構優(yōu)化的終極目標就是為了滿足人類對物質生存環(huán)境的最大化需求。對功能性的滿足也不再局限于傳統(tǒng)的實用，而是增添了舒適性、美觀性、協(xié)調性等多種新元素，滿足人類對基礎物質生存環(huán)境的更高要求。

2.2安全性

建筑作為人類生存的基礎生存環(huán)境，與人類的生產(chǎn)、生活緊密相關，安全性成為建筑結構優(yōu)化設計的必然考慮因素。一味追求建筑結構的優(yōu)化設計，忽略決策階段、設計階段、建設階段的安全性，其作為建筑不但沒有任何實際意義，反而會給人類正常生產(chǎn)和生活帶來致命的危害。因此，安全性是結構優(yōu)化設計中的必然考慮因素。

2.3經(jīng)濟性

建筑結構優(yōu)化設計的經(jīng)濟性是市場經(jīng)濟條件下對資源配置提出的新要求。經(jīng)濟性是指通過建筑結構的優(yōu)化設計，最大化的節(jié)約各種材料資源，達到減少建設成本的目標。另外，各種材料資源都存在一定的稀缺特性，建筑結構的優(yōu)化設計能科學合理的減少材料的使用量，節(jié)省建設材料使用成本。

2.4環(huán)保性

建筑結構設計的環(huán)保性是繼經(jīng)濟性之后的一大更高要求，建筑結構優(yōu)化設計過程通過材料選用品種的環(huán)保、整體布局的環(huán)保來體現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展理念。在建筑資源的材料選用方面，在保證建筑本體功能性、安全性的基礎上，最大可能的選擇節(jié)能環(huán)保型材料，同時，在結構優(yōu)化的整體布局中，不僅強調建筑主體內部結構的統(tǒng)一與環(huán)保，也包括建筑建設過程中廢舊材料的處理與應用，更不能忽略建筑未來使用過程中對環(huán)境產(chǎn)生的重要影響。另外，材料選用的環(huán)保、整體布局的環(huán)保也是結構優(yōu)化設計過程中安全性的體現(xiàn)。

三、建筑結構優(yōu)化設計的內容

3.1 結構優(yōu)化設計中的構件布置

建筑結構優(yōu)化設計中的構件布置主要涉及梁、柱子、剪力墻的布置與設計。目前，高層建筑的結構設計大多采用框架 - 剪力墻結構體系, 這種體系由鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土剪力墻兩部分組成,框架的梁柱為剛接,框架與剪力墻可為剛接,也可為鉸接。高層建筑體日趨復雜,各種不同功能的建筑用房綜合在一起,組成形態(tài)各異的高層建筑,給建筑結構優(yōu)化設計增加了一定的難度。而框架-剪力墻結構體系具有靈活組成使用空間的優(yōu)點, 比較容易滿足建筑物的使用要求, 而且框架-剪力墻結構體系有較高的承載力,較好的延伸性和整體性,并且具備很強的吸收地震力的能力, 從而大大減小了結構本身的側移。因此，在建筑結構優(yōu)化設計的實踐過程中，在框架 - 剪力墻結構設計中,剪力墻剛度的確定除了必須滿足強度條件外, 還必須使結構具有一定的側向剛度。基于此,剪力墻剛度的大小將直接影響到結構的安全性及工程造價成本。另外，在框架-剪力墻結構初步設計階段,簡捷、準確地確定框剪結構中剪力墻最優(yōu)數(shù)量,即可避免重復、繁瑣的結構剛度調整計算,還可以達到減少經(jīng)濟成本的目標。梁的選用與布置。常規(guī)梁經(jīng)濟性最好,但嚴重影響建筑層高，尤其是在目前土地資源有限的情況下，最終還是無法實現(xiàn)社會整體經(jīng)濟效益的最大化；寬扁梁能減少梁的截面高度,增加建筑物的凈高。在建筑物總高度限制的情況下,可以增加層數(shù),以獲得更多的建筑面積。但寬扁梁在經(jīng)濟指標上與常規(guī)梁相比并不是最優(yōu),由于Y方向截面高度減小,使得縱向鋼筋的配筋率較高,同時撓度偏大。在跨度進一步加大的情況下,也可采用預應力梁,以滿足建筑物的特殊要求,但費用較高。此外，高層建筑框架柱截面大小主要由軸壓比控制, 在上部軸力一定的情況下,可以通過加大柱截面、提高混凝土設計強度、加大柱箍筋、采用鋼混凝土柱等不同方法來控制柱軸壓比，最大化程度保證功能性與安全性。

3.2 結構優(yōu)化設計中的整體布局

為實現(xiàn)這些目標，建筑結構決策者與設計者須從結構優(yōu)化設計的全局觀念出發(fā)，利用結構設計中的點、線、面，確定建筑結構設計的總體布局，處理好點、線、面之間的架構關系，借助于材料的選用、構件的布置，充分發(fā)揮單個構件與整體結構的配合與協(xié)調，使之能實現(xiàn)最佳受力狀況，既實現(xiàn)整體結構良好的承重力、剛性與延展性，也實現(xiàn)單個構件的最大化與最佳化利用，保證達到建筑設計的國家質量標準，實現(xiàn)建筑功能性、安全性與經(jīng)濟性的多重目標。

四、結束語

通過建筑結構的優(yōu)化設計，是實現(xiàn)建筑本體功能與控制建筑造價成本的重要手段。另一方面，建筑投資者或開發(fā)商不能過分強調結構優(yōu)化設計的經(jīng)濟性，通過減少材料、降低技術、放低質量標準來追求經(jīng)濟性，同時也反對一味重視技術要求、忽略經(jīng)濟成本的做法。結構優(yōu)化設計的終極目標是實現(xiàn)建筑的本體功能性、安全性、經(jīng)濟性與環(huán)保性。因此，在保障全面發(fā)揮建筑本體功能性、保證安全性的條件下追求建筑投資建設的經(jīng)濟性與環(huán)保性是建筑建設的科學合理選擇。為了實現(xiàn)這一目標，未來的建筑結構設計者將遵循功能性、安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性四位一體的設計思路，真正實現(xiàn)未來建筑結構的優(yōu)化升級，為人類提供一個更好的物質生存與發(fā)展環(huán)境。

參考文獻：

[1] 高新艷.鋼筋混凝土框架結構的整體分析與優(yōu)化設計[D].太原理工大學.2007.

篇(7)

關鍵詞：鋼筋混凝土建筑；結構；優(yōu)化設計

中圖分類號：TU37 文獻標識碼：A 文章編號：

結構優(yōu)化設計是在滿足設計規(guī)范要求及保證結構安全和建筑使用功能的前提下，通過合理的結構布置，科學的計算論證，采取一定的措施來達到合理節(jié)約工程造價的一種設計方法。文章主要以優(yōu)化結構方案及其構造措施入手，結合某鋼筋混凝土框架剪力墻結構優(yōu)化工程，對鋼筋混凝土框架-剪力墻結構優(yōu)化設計相關要點進行了闡述。

1 優(yōu)化結構方案

結構方案是結構設計的關鍵，在設計中貫徹國家的技術經(jīng)濟政策，采取正確的結構方案，是保證工程質量，提高工程效益的有力保障。

1) 結構工程師與建筑師商討，共同確定最優(yōu)建筑方案。首先在建筑工程的設計階段，結構工程師憑借自身的專業(yè)知識，擁有的對結構體系功能及其受力、變形特性的整體概念和判斷力，用概念設計的方法明確結構總體系同分體系之間的最佳受力特征分析，達到使建筑平面結構抗側剛度中心、建筑平面形心、建筑物質量中心重合，可以有效減少建筑扭轉的影響，此外建筑立面要盡可能避免剛度突變和結構不連續(xù)，體型要規(guī)則、均勻，建筑物總高度滿足適用最大高度的規(guī)范要求。

2) 力使結構受力與傳力途徑簡潔、明確，傳力途徑過于復雜會出現(xiàn)多次轉換的結構構件，這不僅會增加造價，還容易引起計算錯誤而埋下安全隱患。而簡單、直接的傳力途徑，可以減少中間傳遞的結構構件，減少結構的安全風險，結構受力明確，經(jīng)濟實惠。

3) 結構工程師在建筑設計中要尤其注意規(guī)范，規(guī)程中有關結構概念設計的各項規(guī)定，雖然正確的結構計算是設計的重要基礎，但設計中不能僅僅依賴于計算，還必須非常重視概念設計。

2 合理的構造措施

構造措施作為計算假定的保證或作為計算中忽略某個因素或某項內容的補充，與結構計算相似。按構造要求設計時，一般只需滿足規(guī)范的最低要求。如梁箍筋加密的問題，梁的一側是框架柱，另一側是梁及梁的一側垂直搭在剪力墻上，而另一側搭在梁上，這種梁僅僅是作為支撐樓板用的普通梁，不像框架梁那樣耗能，因此不需要箍筋加密，應在位于梁下部或梁截面高度范圍內的集中荷載區(qū)域設置附加橫向鋼筋，并優(yōu)先設置附加箍筋，此外當次梁放在主梁上面及梁上起柱時，主梁不必設置附加橫向鋼筋。當剪力墻結構中存在部分短肢剪力墻時，只需對短肢剪力墻的抗震等級提高一級而不需提高整體的抗震等級，分布筋、拉結筋、架立筋等起輔助作用的鋼筋等級為一級或二級。

3 結構優(yōu)化實例

某鋼筋混凝土框架-剪力墻結構建筑由四層裙樓和A、B兩棟高層建筑組成，A樓高74.2m，20層，B樓高88.3m，30層，地下兩層為停車庫和設備用房，房屋平面布置為不規(guī)則形狀，總建筑面積約5.4萬m2。

3.1設計優(yōu)化的原則

通過大量計算和經(jīng)驗分析，在滿足現(xiàn)行結構設計規(guī)范及規(guī)定的前提下，遵循保證結構的安全性及合理的剛度，對通過對可減小的結構構件進行有效的核減等措施來進行設計優(yōu)化。

3.2結構優(yōu)化設計

高層框架剪力墻結構體系中，重點是是水平荷載作用下，框架和剪力墻內力分配設計問題，其中剪力墻的數(shù)量及設計位置是關鍵。

3.3鋼筋混凝土框架結構的優(yōu)化設計

結構優(yōu)化是一個漸進的尋優(yōu)過程。首先對結構整體內力進行分析，然后根據(jù)梁柱各構件的控制內力進行截面的優(yōu)化設計，計算出滿足荷載效應要求的各結構構件的幾何特征的配筋量的優(yōu)化結果，在此基礎上導致原結構的幾何特征和荷載特征的變化，優(yōu)化結構在現(xiàn)荷載作用下內力分布特征發(fā)生變化，各控制截面的控制內力也發(fā)生相應變化，根據(jù)這些變化進行下一步的優(yōu)化設計。

3.4框架-剪力墻結構的優(yōu)化設計

框架結構優(yōu)化設計的原則究其根本就是結構優(yōu)化的原則，利用一次完成的結構件，優(yōu)化各個構件，可以節(jié)約投資并使結構受力更加合理。

3.5基礎優(yōu)化設計

(1) 依據(jù)地質勘查資料，分別設計主樓和裙樓的基礎，主樓采用筏板基礎，裙樓采用獨立基礎，基礎底板要按照經(jīng)驗和計算結果設置。例如在地下室基礎的設計工作中，初步設計中地下室基礎計劃全部采用筏板基礎，經(jīng)審核計算，為達到節(jié)約鋼筋、混凝土的目的提出純地下室基礎部分采用獨立基礎加抗浮底板及抗浮錨桿的做法，這種方案可以有效保證結構的安全，施工簡便。因此對純地下室基礎采用獨立基礎加抗浮錨桿、底板方式設計施工圖（圖1）。

圖1獨立柱基礎剖面

(2) 對地下室有防水要求的基礎底板，裂縫寬度控制在0.2mm左右；地下室頂板及外墻，荷載取值要準確、可根據(jù)實際情況選用荷載。

(3) 作為塔樓的嵌固端，地下室的頂板不宜太薄，根據(jù)覆土薄厚情況，采用十字梁井字梁。

3.4.7樓板優(yōu)化設計

根據(jù)樓板要預埋管道的要求，樓板較薄時施工容易造成裂縫，因此樓板設計時采用彈性假定而非塑性假定來計算樓板厚度及配筋的折減，最小配筋率取0.2和0.45ft/fy中較大值相同板厚時混凝土強度等級低、鋼筋強度大時，最小配筋率低，故優(yōu)先采用三級筋，板中抗裂鋼筋最小配筋率為0.1%，不用或少用大跨厚板。

1.5優(yōu)化設計效果

高層建筑的結構優(yōu)化問題是一個非常復雜的工程難題，同時結構優(yōu)化具有巨大的經(jīng)濟效益，因此研究和開發(fā)應用鋼筋混凝土結構優(yōu)化技術對節(jié)約工程投資具有重大意義。為驗證設計優(yōu)化的有效性，分析結構設計的初步方案，根據(jù)工程所在地的市場價格推算本工程的優(yōu)化節(jié)約了鋼筋65t，節(jié)約資金約32萬元。

3結語

文章從鋼筋混凝土結構優(yōu)化設計應用出發(fā)，總結出了鋼筋混凝土框架-剪力墻結構建筑優(yōu)化設計方法，符合當前建筑結構設計發(fā)展的需要，具有一定的現(xiàn)實應用意義。建筑結構的優(yōu)化設計是一個科學系統(tǒng)的設計過程，針對每一項工程設計，應當根據(jù)其建筑特點，使結構各個構件受力均衡，同時要求技術應用合理、結構整體安全可靠，充分發(fā)揮每個構件的最大作用。只有這樣才能實現(xiàn)建筑結構優(yōu)化設計的最終目的，以便更好地服務于我國建筑業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

[1]張民.鋼筋混凝土框架-剪力墻結構設計的優(yōu)化研究.上海：同濟大學土木工程學院，2008.