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框架钢结构的研究及优化设计

作　者: 彭帅
导　师: 卢哲安；刘元志
学　校: 武汉理工大学
专　业: 建筑与土木工程
关键词: 框架钢结构 节点设计 优化设计 ANSYS
分类号: TU391
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 220次
引　用: 1次
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内容摘要


钢结构在我国应用越来越广,因现行设计方法存在一些缺陷以及钢材价格攀升不下,做出最优方案减少造价具有现实经济意义。钢结构框架体系是其中应用较多的一方面,在工业厂房及民用建筑有广泛的应用。目前,框架钢结构设计一般采用试算法：初定结构的参数(结构布置和各种构件的截面形式),然后根据约束条件选择截面尺寸,并通过结构计算做适当修正后,一般就作为最终方案,往往导致结构用钢量的增加。在框架钢结构设计过程中,利用现行的优化设计理论和计算机技术,可以快速有效的解决工程设计优化问题。国内外许多学者对结构优化设计理论及方法做了大量的研究工作,但可应用于工程中的优化设计理论较少,特别是对于空间框架钢结构的优化设计。本文结合武汉某汽车展厅六层框架钢结构,基于满应力设计结构优化算法,利用有限元分析软件,进行二次开发,对此六层框架钢结构进行了优化设计。首先,本文介绍了框架钢结构设计理论,包括二阶弹性分析方法、二阶弹塑性分析方法,设计规范所采用的二阶弹性分析简化方法计算简单,但无法精确考虑二阶效应的影响；高等分析法过于复杂,未达到实用阶段。其次,针对框架钢结构并在本文中的工程实例的基础上,总结钢结构组合楼板计算方法与原则、节点设计计算原则与注意事项。再次,建立ANSYS有限元模型,模拟了承载能力极限状态和正常使用极限状态共四种荷载工况下的结构受力特征,利用APDL参数化语言编程,以框架钢结构用钢量最少为目标函数,以构件截面尺寸为设计变量,以规范要求的强度、刚度、构造要求等为状态变量,对本文中工程实例进行了不同工况下的优化设计。结果表明,此方法可节约用钢量6.645%,经济效益明显,优化后仍有一定安全储备,优化结果可靠,达到了预期的优化目的,可以在框架钢结构优化过程中推广使用。一阶优化方法精度较高,可以对设计变量参数进行统计分析,但耗时较多,在工程应用中推荐使用零阶方法。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 引言  9-13
  1.1 问题的提出  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-13
    1.2.1 钢结构设计理论研究现状  10-11
    1.2.2 结构优化研究现状  11-13
第2章 框架钢结构设计理论  13-18
  2.1 钢框架二阶弹性分析与二阶弹性分析的简化方法  13-16
    2.1.1 二阶弹性分析方法简化原理  13-15
    2.1.2 侧移弯矩增大系数  15-16
    2.1.3 二阶弹性分析简化方法的荷载取值  16
  2.2 二阶弹塑性分析  16-18
    2.2.1 平面钢框架的二阶弹塑性分析  16-17
    2.2.2 空间钢框架的二阶弹塑性分析  17-18
第3章 框架钢结构设计与计算  18-33
  3.1 工程概况  18-23
    3.1.1 设计软件  18-20
    3.1.2 设计前期工作  20-23
  3.2 楼板设计  23-25
    3.2.1 组合楼板的计算方法与原则  24-25
  3.3 节点设计  25-33
    3.3.1 梁与柱的连接  26-28
    3.3.2 柱与柱的连接  28-29
    3.3.3 梁与梁的连接  29-30
    3.3.4 柱脚的设计  30-33
第4章 框架钢结构的优化设计  33-59
  4.1 框架钢结构优化设计的基本理论  33-39
    4.1.1 结构优化设计简介  33-34
    4.1.2 框架钢结构优化设计的数学模型  34-36
    4.1.3 框架钢结构的满应力设计  36-39
  4.2 基于ANSYS的优化设计  39-43
    4.2.1 ANSYS软件介绍  39
    4.2.2 ANSYS优化设计方法  39-41
    4.2.3 ANSYS优化设计的过程  41-43
  4.3 框架钢结构优化设计过程  43-53
    4.3.1 构建框架模型  43-47
    4.3.2 施加荷载并计算内力  47-48
    4.3.3 后处理  48-52
    4.3.4 构建优化控制文件  52-53
  4.4 优化结果  53
  4.5 优化结果分析  53-56
  4.6 ANSYS优化方法的影响  56-59
第5章 结论与展望  59-61
  5.1 结论  59-60
  5.2 展望  60-61
参考文献  61-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑结构 > 金属结构 > 钢结构
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