不同荷载工况下钢筋混凝土深梁的拓扑优化设计

为探讨不同荷载工况对钢筋混凝土深梁拓扑优化的影响,同时改进当前深梁设计方法,采用渐进演化类拓扑优化算法寻求钢筋混凝土开洞深梁在不同集中加载工况和荷载集度工况下的最优拓扑结构,再依据这些最优拓扑结构建立相应的压杆[CD*2]拉杆模型,并分析这些最优拓扑结构和压杆[CD*2]拉杆模型的差异。结果表明：压杆[CD*2]拉杆模型均为较符合满应力分布的Michell结构;集中荷载作用在梁顶时,荷载从加载点通过最短直线压杆以压力的形式向支座传递;集中荷载作用梁腹和梁底时,荷载则通过伞状拉杆悬吊在主压拱上,再向支座传递;随着荷载集度降低,最优拓扑结构向拱或拱[CD*2]组合压杆的组合体系演化。在工程设计中,对于不同荷载工况条件下的钢筋混凝土深梁,可以参照最优拓扑结构在内部有针对性地设计隐藏的受压加强构件或受拉钢筋。     

基于拓扑优化的钢筋混凝土复杂受力构件配筋设计

为了得到适用于复杂受力构件的配筋设计,研究其最优拓扑钢筋布置,将遗传演化结构优化应用于钢筋分离式模型得到的最优拓扑钢筋,提出一种新的复杂受力构件配筋设计方法。首先,通过分解、连接、归并设计等简化措施对拓扑解中的钢筋进行简化设计,得到施工可操作性大幅提高的初步配筋图,再进行局部补强以满足现行规范的构造要求,得到最终配筋设计图。运用提出的方法对5种不同类型的复杂受力构件进行了配筋设计,并在双侧开孔深梁的算例中,与弹性应力法及经验法进行钢筋利用率、力学性能等比较。研究结果表明:钢筋分离模型遗传演化结构优化可以直观地构造出钢筋混凝土复杂受力构件的钢筋布置方案,但该方案的施工可操作性不高,且其忽视构造要求,导致弹塑性内力重分布后安全保障缺失;简化设计结果能直观地得出钢筋具体布置情况,钢筋简化明确、布置规整;斜向钢筋较大幅度地被简化,施工可操作性增强,并添加必要的满足规范要求的构造钢筋,配筋设计结果更趋完善;双侧开孔深梁的算例中,按照简化设计方法对最优拓扑钢筋进行简化设计,增加7.74%的钢筋用量后得到初步配筋图,添加26.19%的构造钢筋用量后可以得到简化设计方法设计的最终配筋图,与弹性应力设计法和经验设计方法相比,最终配筋图分别节省了16.24%和35.35%以上的用钢量;经大量不同类型的复杂受力构件算例证实,该新方法不仅有着良好的普遍性、稳定性与可行性,且与当前设计方法相比,有着较高的经济性,能够为复杂受力构件的配筋设计提供参考。     

荷载工况多目标下钢筋混凝土深梁的拓扑拉压杆模型设计

为了提高钢筋混凝土深梁构件配筋设计方法的合理性,选用遗传演化结构优化算法,并延伸出荷载工况多目标下的应用方式,同时基于拓扑解构建拉压杆模型,衔接拓扑优化与工程设计环节,建立荷载工况多目标拓扑拉压杆模型。采用两个深梁数值算例验证了该模型的可行性和稳定性。从建立拉压杆模型的角度以其力学特性出发,将荷载工况多目标优化的拓扑解分别与各荷载工况单目标优化解、其弹性叠加结果,以及所有荷载工况共同作用下的单目标优化解进行比较,证实了新模型更契合深梁类构件的受力特性,具有更佳的全局寻优能力。荷载工况多目标遗传演化结构优化可以有效解决多目标优化中的病态荷载问题,依据其建立的拉压杆模型直观可行,可以为钢筋混凝土深梁设计提供参考。     

复杂应力构件多荷载工况下的配筋优化

遗传演化结构优化算法自提出以来,研究主要针对单荷载工况的情形,研究成果对于指导实际工程设计存在缺陷.为了满足工程应用的需求,本文以ANSYS有限元软件的非线性分析为平台,选用solid65单元和link10单元分别模拟混凝土单元和钢筋单元,将分离式模型遗传演化结构优化推广到复杂应力构件多荷载工况下的配筋优化.通过选用开洞深梁和开洞剪力墙作为数值算例以验证,分离式模型遗传演化结构优化可以综合考虑多个荷载工况的影响,减少人为因素的干扰,直观地计算出钢筋配置方案,很好地完成复杂应力构件在多荷载工况下的配筋优化设计,所得的结果符合受力机理,且不会使钢筋过度集中,还因为提高了钢筋的利用效率,所以相比弹性应力设计方法节省了用钢量.