华中科技大学硕士学位论文基于遗传算法的钢管混凝土框架结构优化研究姓名：肖国涛申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：廖绍怀20050318I摘 要 钢管混凝土结构体系具有承载力高塑性和韧性好经济效益显著以及施工快捷等突出的优点近几年越来越多的高层建筑采用钢管混凝土柱因此钢管混凝土框架结构不仅成为了我国已建建筑的重要形式而且在未来仍将保持良好的发展前景钢管混凝土框架结构优化方面的研究在理论上和实践上都比较少为了保证这类建筑的安全提高建筑的投资效益必须寻求该类建筑科学合理的设计和优化方法 本文针对钢管混凝土框架采用钢管混凝土组合抗弯模量和组合抗压模量用Fortran 编写了有限元计算程序得到了框架结构比较精确的内力进而首次将改进遗传算法引入到钢管混凝土结构中采用实数编码设计了遗传算法的选择交叉和变异算子以及其它执行参数用直接比较比例方法处理有约束的最优化问题在此基础上 用 Matlab 编制了钢管混凝土框架柱和梁的结构优化程序 并结合具体实例进行了计算与原数据进行了比较结果表明采用该方法编制的基于结构计算的遗传优化程序操作灵活遗传算法解决优化问题初始条件要求少解决问题广度大易使问题达到最优解 本文的研究是一种全新的智能优化理论在钢管混凝土框架中的应用对于此类结构设计理论的改进和节约投资具有一定的意义并对建筑结构其他结构形式的科学优化提供一定的参考 关键词钢管混凝土框架 遗传算法 实数编码 直接比较比例法 IIAbstract Concrete Filled Steel Tubular(CFST) frame system has been applied in highrise buildings increasingly in recent years because of its high load-carrying capacity, good plastic and toughness, prominent economic benefits and concise steps of construction etc. CFST frame is not only a major structure form of the buildings, which have been built in our country, but also has a good developing prospect in the future. Optimization researches on CFST frame are still scarce. In order to guarantee the security of this kind of building, and improve the investment benefit of the building, it is necessary to find the rational and scientific design, optimization method. In this paper, the more accurate force had been calculated by writing the Fortran program of finite element to compute CFST frames with composite bending modulus and composite compressive modulus. The improved genetic algorithm based on real number encoding was introduced for the first time. The selection, crossover and mutation algorithm of genetic algorithms and other parameters coded were designed. Direct comparison-proportional method was applied to handle restriction optimization problems. The structure optimization programs were written for CFST column and steel beam in Matlab, and applied to the example. Compared with original datum, the result is shown that this method can be used conveniently. It is easy to receive the optimal answer with the genetic algorithms, which can solve the scope of problem largely, and require less initial conditions. The research is an application of new intelligent optimization theory to the CFST frame. It is not only significative for the improvement of design theory and decreasing investment but also helpful in designing other structure forms rationally. Keywords CFST frame Genetic algorithms Real number encoding Direct comparison-proportional method 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 保密 在 年解密后适用本授权书 不保密 本论文属于 11 绪 论 1.1 问题的提出 1.1.1 钢管混凝土结构发展的概况 钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土基础上演变和发展起来的最早应用钢管混凝土的工程之一是1879 年英国的Severn 铁路桥桥墩, 目的是防止锈蚀并承受压力, 之后, 钢管混凝土又作为单层工业厂房的结构柱1897 年美国人John Lally 在圆形钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱(称为 Lally 柱) 并获得专利钢管混凝土结构自 60 年代引入我国以来,迄今已有三十多年它在我国的应用和发展历经了两个阶段60 年代至 80 年代中期为推广应用阶段, 80 年代后期至今为发展提高阶段1 钢管混凝土柱在高层建筑中主要是作为受压管柱的建筑构件使用与钢梁和梁柱节点等共同构成建筑物的框架结构体系钢管混凝土柱因其结构特征同时具备了钢管和混凝土两种材料的性质即混凝土柱外部包裹钢管材料管柱内部充填混凝土材料因钢管壁对管内混凝土形成的刚性约束作用防止了管内混凝土的脆性破坏实验和理论分析证明钢管混凝土在轴向压力作用下钢管的轴向和径向受压而环向受拉混凝土则三向皆受压故钢管和混凝土皆处于三向应力状态三向受压的混凝土抗压强度大大提高 同时塑性增大 其物理性能上发生了质的变化由原来的脆性材料转变为塑性材料简而言之由于混凝土填充钢管柱可以抑制钢管的局部纵向弯曲可以充分发挥钢管的力学性能同时芯部混凝土受到钢管的强大横向约束而大幅度提高其强度和刚度正是这种结构力学性质的根本变化决定了钢管混凝土的基本性能和特点如承载力高塑性和韧性好经济效益显著以及施工快捷等突出的优点因而在我国应用最广研究工作也最为深入并作为新型的建筑组合结构显示出巨大的生命力和发展前景 钢管混凝土在高层建筑中的应用由开始时的局部柱子采用到大部分柱子采2用再到全部柱子采用这一发展过程仅十几年的时间在美国60 和 70 年代中费隆(Rechard W Furlong)克劳尔(Robert Knowles) 和派克(Robert Park)等人从事钢管混凝土组合柱的大量研究和试验工作取得了很多成果并在工程中应用2例如美国旧金山市一座 50 层的办公大楼高 175.3m为了提高抗震能力采用了钢管混凝土柱日本 90 年代也出现了采用钢管混凝土柱的高层建筑31998 年才建造的琦玉县雄狮广场高层住宅55 层高 185.8m采用了钢管混凝土柱和钢梁的框筒结构体系4在我国这种工程主要集中在福建省广州深圳和天津其它如北京重庆等地也有一些工程采用钢管混凝土的最高建筑是 1999 年建成的深圳赛格广场大厦(地上 72 层,高 291.6 m)这是我国自行投资设计全部采用国产钢材自行加工和施工的第一个采用钢管混凝土的世界最高建筑物其裙房部分采用框剪结构体系塔楼部分采用框筒结构体系框架采用钢管混凝土柱钢梁和压型钢板组合楼盖, 内筒由 28 根钢管混凝土密排柱组成 21.3m21.3 m 的方形抗侧力筒因而为采用全逆作法施工创造了条件受力最大柱的轴心压力达 9000kN 以上, 采用钢管混凝土柱, 截面为 160028Q345 钢材, 内填 C60 混凝土若将其设计成钢筋混凝土柱则截面将达 2. 4 m2. 2 m 据有关数据表明钢管混凝土柱和钢柱相比可节约钢材 50%左右造价大幅度降低和钢筋砼柱相比可节约混凝土 70%左右减轻自重 70%节省模板 100% ,而用钢量相等或略多这一点在已建成的诸多建筑中得到了充分证明法国巴黎居民区的第一座摩天大楼采用了钢管混凝土框架柱比钢结构省钢 40%大连造船厂船体装配车间采用钢管混凝柱与常规设计钢柱相比节省钢材 56%美国双联广场大厦比通常的钢框架结构节省钢材 50%总造价降低 30% 5 1.1.2 结构优化设计的现状 20 世纪 50 年代以前用于解决最优化问题的数学方法仅限于经典微分法和变分法称为经典优化方法6最典型的是马克威尔(1890)和米歇尔(1905)提出的米歇尔框架理论7它仅能解决一些简单的结构计算问题到 50 年代末优化方法中的3数学规划方法被首次用于结构最优化并取得巨大成功成为优化方法的理论基础60 年代初有限元法的出现和发展解决了复杂结构的分析问题为优化设计提供了良好条件到 70 年代结构优化已有了数学规划和优化准则两条不同的路径8而且二者都得到了较快的发展最值得一提的是电子计算机技术的发展为结构优化提供了高效能的计算工具使对大型工程复杂结构的优化成为可能现代计算机大容量的贮存空间和超高速的计算速度 大型有限元结构分析程序 CAD 技术和优化设计软件包等的也现大大促进了优化技术的发展目前优化方法日趋完善包括的内容和应用范围日趋扩大线性规划非线性规划几何规划动态规划 随机规划等优化方法不断地应用于各种结构设计 不仅大大地缩短了设计周期显著的提高了设计质量还解决了传统设计方法无法解决的众多复杂问题但纵观现代近 40 年的结构优化设计理论人们不幸地看到结