[结构优化][编程][软件] 基于ETABS二次开发的结构优化设计程序及其在实际工程中的应用

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来自小伙伴 黄元根 的分享,结构优化方面的专题。

1. 优化设计程序

1.1 优化设计理论

最优设计是人们在工程技术、科学研究等诸多领域经常遇到的问题,例如结构设计要在满足一定约束条件下所使用材料的总重量最轻。目前实际工程项目中优化问题解决方法一般依据经验积累进行主观判断,随着数学方法和计算机技术的快速进步,用建模和数值求解计算方法将会越来越显示出高效优势。

1.2 优化设计应用

ETABS软件作为国际上结构设计领域应用最广泛的设计软件,其准确性和可操作等方面存在一定优势。同时,ETABS开放二次开发接口,可供用户进行所需功能的开发。在此基础上,基于ETABS二次开发技术和优化算法开发适用于实际工程项目的计算程序,利用结构地震动力响应求解和软件开放性好的优势,可用于结构构件截面灵敏度分析、优化计算等,以实现结构最优设计。基于结构自重最小原则,本优化程序可实现不同类型构件的截面最优设计。

自编优化软件界面

2. 具体工程应用

不同复杂结构项目具有不同特点,其控制性指标往往也不同,结构计算分析需差异化、针对性分析,目前根据实际工程中遇到的优化设计问题,本优化程序可给出以下问题的解决方案:

(1) 某高烈度区超高层结构

问题描述:结构地震效应与结构自身质量和刚度两者密切相关,工程中常常遇到增加墙厚位移角反而变大,原因在于墙厚增加后,结构自重增加导致地震力变大;如何在结构刚度与地震力之间平衡显得尤为关键,常规设计做法需要不断调整,费时费力且找不出两者变化规律,优化设计程序给出一种可行解决方案。

解决途径:将最大层间位移角作为约束条件,结构自重最小为优化目标,构件截面尺寸作为变量,实现结构最优设计;

某工程应用:

优化效果:经过结构优化设计后,在减小墙厚情况下,结构最大层间位移角得到减小,原因在于结构各层最大层间位移角分布更加均匀,更加充分利用了层间刚度,即使顶点位移增大。优化后,结构自重和地震作用得到减小,有利于减小结构钢筋用量,结构更加经济高效。

(2) 高度超过500m的某超高层结构

问题描述:项目结构高度达到500米,结构第一周期接近9s。当结构周期为控制因素时,结构周期与结构自重和结构刚度直接相关,如若剪力墙墙厚增加,结构刚度增强,结构周期如何变化难以直观判别,给结构优化设计带来一定难度。

解决途径:将结构周期作为约束条件,结构自重最小为优化目标,构件截面尺寸作为变量,实现结构最优设计;

某工程应用:

优化效果:经过结构优化设计后,直观给出低中高区的不同位置核心筒剪力墙厚度对结构第一周期的敏感性差异,为不同位置/不同区域核心筒墙厚给出不同的调整策略和方向。在设定结构周期以及满足层间位移角前提下,结构自重和结构地震效应同时减小,结构更加经济高效。

(3) 某高位连体结构

问题描述:在高位连接的两栋超高层塔楼,高/矮塔竖向构件截面尺寸对连接体两端相对位移的影响程度不同,通常结构设计中无法判断其中规律,而连体结构两端相对位移大小直接影响连体结构可行性。

解决途径:将连体两端相对位移作为约束条件,结构自重最小为优化目标,构件截面尺寸作为变量,实现结构最优设计;

某工程应用:

优化效果:经过结构优化设计后,直观给出高/矮塔竖向构件对连接体两端相对位移的影响程度。本项目若以连接体两端相对变形作为控制目标,在满足其它指标情况下,可增大矮塔刚度,同时削弱高塔刚度,可有效减小连体两端相对变形,有利于连接体结构在地震作用下的受力性能。

如果有小伙伴对这方面感兴趣,欢迎大家联系我。邮箱:jidong_cui@163.com

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