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。