型钢混凝土框架结构优化设计方法探讨

型钢混凝土框架结构优化设计方法探讨

任梦宁

中海油山东化学工程有限责任公司山东济南250013

摘要：相较于传统的钢筋混凝土结构，型钢混凝土框架结构具有刚度大、耐火性好和抗震性好等优点。但由于型钢与混凝土的粘结容易出现滑移，所以结构的受力性能可能会受到影响。而根据结构的受力性能进行结构的优化设计，则能够使该结构得到更好的应用。基于这种认识，本对该结构及其优化设计流程进行了分析，然后对其优化设计方法进行了探讨，从而为关注这一话题的人们提供参考。

关键词：型钢混凝土；框架结构；优化设计方法

引言：在工程应用方面，型钢混凝土得到了广泛应用。而随着建筑行业的发展，近年来型钢混凝土结构的研究也在逐渐加深，从而使有关型钢与混凝土的相互约束的问题得到了行业的重视。针对该问题，有关人员则提出了一系列的型钢混凝土框架结构优化设计方案。而对该结构的优化设计方法展开研究，则有利于促进相关研究的发展。

1型钢混凝土框架结构分析

所谓的型钢混凝土框架结构，其实就是将型钢埋入到混凝土中的框架结构形式。在建设该结构时，需要先完成定位放线，然后再进行混凝土浇筑。从结构分类上来看，型钢混凝土框架结构可以被分成是全型钢混凝土框架结构和半型钢混凝土框架结构。其中，前一种结构的梁和柱都将采用型钢混凝土结构，后一种结构中仅有柱使用的是型钢混凝土结构。如果采取全型钢框架结构，则建筑体系的构造将获得可靠、简单的设计优势，能够使建筑结构的整体性得到提高。采取半型钢结构，需要使用钢梁结构形式进行框架梁的设计，所以结构本身的重量较轻，并且构造相对简单。但是，该种结构也具有防火性能差和刚度小的缺点。但相较于传统型钢结构，型钢混凝土框架结构的设计能够节约大量钢材，并且具有较好的耐火性、耐久性和受力性能。相较于钢筋混凝土，该结构具有施工周期短、承载力高和抗震性好的优点。

2型钢混凝土框架结构的优化设计流程

在对型钢混凝土框架结构进行优化设计时，考虑其由规则截面杆系梁和主构件组成的情况，还要对其进行部分优化。根据建筑设计要求，可以完成结构平立面的布置，然后对梁跨度和柱高度进行确定。根据框架梁和经济跨高比，则能够完成结构初步选型，并得到结构初始截面。在此基础上，需要使用有限单元法对结构在不同荷载条件下的受力情况进行分析，以便得到轴力和剪力的组合值，并完成常规设计参数的计算。根据受力条件，可以对结构柱与梁进行优化设计，然后计算工程的总造价。完成初步优化设计后，需要利用变量方法完成结构二次优化，以便得到前后相接近的设计方案。

在对结构进行优化设计时，需要获取结构的轴力值和剪力值，以便实现结构截面的优化。针对超静定结构，考虑到与构件内力相对应的截面可能不充分，还要对截面进行有效增大。而在这一过程中，由于超静定结构构件内力与截面不一致，所以还要引进超松弛系数对结构内力进行计算和分析[1]。此外，在对型钢框架梁的设计进行优化时，需要确保其截面宽度不超过300mm，同时其高宽比不超过4。为使框架节点受到框架梁的约束，并且对截面高度比值和宽度比值进行充分考虑，还要在腹板两侧进行支撑加劲肋的设置，以应对梁在支座位置的较大集中荷载。

3型钢混凝土框架结构的优化设计方法

在实际进行型钢混凝土框架结构优化设计时，由于结构将以变量参数形式出现，所以还要利用数学手段实现结构优化设计。通常的情况下，设计者需要利用有限单元法进行结构设计参数的分析。在此基础上，则需要利用数学规划法实现方案设计，然后借助计算机获得设计方案。而就目前来看，使用的结构优化算法主要有三种，即简单解法、数学规划法和准则法。

3.1简单解法

如果结构的设计变量不多，通常可以使用简单解法实现结构优化设计。比如在设计变量不超过2h的情况下，就可以使用图解法实现结构优化。而针对板和柱的优化问题，还要使用松弛变量法。由于使用该方法没有严格的求解约束条件，所以也能使结构优化设计问题得到简化。

3.2规划法

在设计型钢混凝土框架结构的过程中，需要利用数学规划法进行设计参数最优解的选用。而该方法的使用实际上是从结构力学角度出发，可以在较大的范围内得到应用。就目前来看，常用的数学规划法包含线性规划法、非线性规划法、几何规划法和动态规划法。其中，较为成熟的方法为线性规划法，可以用于求解目标函数，从而使设计变量的线性函数问题得到处理[2]。而在结构的优化设计中，常常也将遭遇拥有一定约束条件的非线性问题，这些问题的解答较为困难，还要利用非线性规划法进行目标函数的处理。

3.3准则法

从工程角度考虑，使用准则法进行结构优化设计就是根据预先规定实现结构设计，从而使结构设计的应力准则、位移准则、能量准则等相关准则得到满足。比如，为满足应力准则和能量准则等有关准则，就可以使用最轻的材料进行结构设计。使用准则法，需要对最优的杆系结构进行利用，并且对设计变量初始进行重新分析。如果计算量不大，还要进行预先设定的布局的使用。但是，使用准则法虽然能够满足结构应力设计要求，但是在结构弹性稳定处理等方面具有一定的缺陷[3]。而型钢混凝土框架结构实际上较为简单，所以可以将结构应力设计与准则法结合起来，以便在使材料强度潜力得到充分发挥的基础上，做好结构位移和弹性稳定性等约束条件的处理。

结论：总之，在众多形式的混凝土框架结构中，型钢混凝土框架结构具有可靠、简单的设计优势，所以拥有着较好的发展前景。而想要使该结构的优越性得到更好的发挥，还要实现结构的优化设计。因此，相信本文对型钢混凝土框架结构优化设计问题展开的分析，可以为相关工作的开展提供指导。

参考文献：

[1]曾磊,查春光,郑山锁.基于混合惩罚函数法的型钢混凝土框架柱优化设计[J].四川建筑科学研究,2010,02:81-84.

[2]陶清林,郑山锁,胡义等.型钢混凝土柱多目标优化设计方法研究[J].工业建筑,2010,11:126-130.

[3]郑山锁,孙龙飞,司楠等.型钢混凝土框架结构失效模式的识别和优化[J].振动与冲击,2014,04:167-172.