【doc】人防工程大跨度井字梁结构抗力转换优化设计方法研究

【doc】人防工程大跨度井字梁结构抗力转换优化设计方法研究 人防工程大跨度井字梁结构抗力转换优化 设计方法研究 第26卷第4期 2OO4年8月 防护工程 PRoTEC?EENGINEER?,『G Vo1.26No.4 Aug.2004 人防工程大跨度井字梁结构抗力转换 优化设计方法研究 王丹刘新宇孙海涛 (解放军理工大学,南京210(O7) 摘要:人防井字梁结构的抗力转换设计中需解决合理确定井字梁网格数和梁的截面的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 .本文在人防结构抗 力转换的基本原理基础上,对人防大跨度井字梁结构优化设计进行了探讨,从而提出一种以网格数和梁截面为 控制变量的人防工程井字梁结构优化设计的实用方法. 关键词:井字梁结构;抗力转换;优化设计 中图分类号:TU933文献标识码:A 平战结合的人防工程,按照平时使用功能的要求,需设计较大跨度的 井字梁结构,一般可以通过临战 前在主体结构梁的节点处设置后加柱实现抗力转换.加柱前按平时荷载进行设计,加柱后分别按战时荷 载设计和验算.井字梁结构属于空间结构体系,其受力性能和承载能力的影响因素较为复杂.如何合理 地选择结构的网格数,梁的截面尺寸和后加柱方案,是人防井字梁结构抗力转换设计中常见的问题.目前 在工程设计中主要依靠设计人员的经验,缺乏理论上的科学方法.本文在人防结构抗力转换的基本原理 基础上,对人防大跨度井字梁结构优化设计进行了探讨,并提出了相关的实用设计方法. 1承载力表达式 井字梁结构属于空间结构体系,其荷载效应和构件承载力呈空间分布形式,根据 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ,其构件的承载 力极限状态表达式为: yD(yG.s+yQ.s)?R’(i=1,2,3,…,)(1) 式中:y.为结构重要性系数,根据规范可取1.0;yyD分别为静载和核爆等效静载的荷载分项系数,其 数值分别取1.2和1.0;i为井字梁结构各构件(梁,柱)的编号,为结构构件的总数. 由于荷载效应系数.s和.s与结构跨度,井字梁结构网格数m,后加柱数量及位置等有关,第i个 构件的荷载效应系数可表示为: .s?=.sG瞄(g|,L,m)(2) .s=.s?(,L,m,n,Z)(3) 式中:gJ,分别为静载和核爆等效静载的设计值;L为结构跨度;m为井字梁网格数;n为后加柱数量;Z 为后加柱位置参数. 井字梁结构构件承载力类型主要包括正截面强度,斜截面强度和抗扭截面强度等,一般可表示为 下式: R=R(b,h,P.,P:,P,,厶,厶)(4) 收稿日期:20o4—02—02 作者简介:王丹(1973一),女,讲师,硕士,主要从事地下结构设计理论研究. ? 22?防护工程2004征 式中:6为截面宽度;h为截面高度;lD.为正截面抗拉钢筋配筋率;lD为斜截面抗剪钢筋配筋率;p.为抗扭 钢筋配筋率;厶为混凝土动轴心抗压强度设计值;厶为钢筋动抗拉强度设计值 2优化模型 由上面关于承载力表达式可知,影响井字梁结构受力与承载力的设 计变量很多,如何选择合理的设计 变量,使结构在满足平时和战时荷载作用下的承载能力为前提,结构满足经济性要求,对于大跨度井字梁 结构体系的设计显得十分有意义.’ 在实际工程设计中,在满足平时与战时荷载的承载能力前提下,还应满足经济性要求,使工程投资减 少,对于一定跨度的井字梁结构,钢筋混凝土总体积取决于井字梁根数(网格数)和梁的截面面积,故井字 梁结构的优化模型,取目标 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 为: f(,x=vc/L+s(,5 式中:为设计变量;为钢筋混凝土总体积;S为梁的截面积. 设计变量=(m,n,Z,6,h,P.,P,P3,厶,厶)(6) 且满足约束条件口??口(7) 式中:,根据工程经验和有关规范取定的设计变量的取值上下限. 井字梁结构优化设计即在满足式(1)的前提下,选择合适的设计变量,使 厂()一min(8) 3优化设计实用方法 分析井字梁结构优化设计数学模型(5)一(8),其中的设计变量有一部分可以根据实际的工程经验或 规范方法预先确定的,其中材料强度参数厶,厶可以根据人防工程常用混凝土强度等级和钢筋强度等级 11 给出;配筋率可以预先取定经济配筋率;构件截面尺寸6,h之间存在构造关系,一般可取b=(告一{)h;二J 后加柱方案(根数和位置)可根据有关规定及结构受力分析预先加以确定,后加柱根数一般不超过四根,本 文研究取四根,另根据受力分析其位置可设在三分之一跨度附近为宜.因此,优化模型中的设计变量可 以适当地简化. 通过井字梁结构的内力计算分析,井字梁结构的网格划分数不仅对梁的内力有较大影响,而且对井字 梁结构的工程量(混凝土体积,用钢量)也有较大影响,而对于梁构件的承载能力,其截面强度与截面高度 及相应的截面宽度显然有直接关系.因此,对于人防工程井字梁结构抗力转换的优化设计,可以重点研究 如何选择井字梁网格数,梁的截面高度h和后加柱的数量及位置.使结构满足平时和战时承载力的同时, 结构的工程量最小. 为了讨论简化,本文仅讨论结构平面为正方形,双向等距网格的井字梁结构,并考虑设计控制截面为 结构跨中截面的正截面强度. 3.1承载力极限状态表达式 根据以上的分析,人防井字梁结构承载力极限状态表达式(1)可写为: y6Qs(L/m)C(,n)+Qd(L/m)C(,n,Z)=ysys(h—a,)(9) 式中:/m——荷载转换系数,井字梁结构设计荷载为面荷载,而梁单元施加荷载为线荷载,故按照双向板 受力的分配原则,当面荷载为lkN/r~时,各梁分配荷载为三角形荷载,其最大值为LlmkNIr~; —— 战时的核爆等效静载; 第4期王丹等:人防工程大跨度井字梁结构抗力转换优化设计方法研究?23? C肿(m)——平时荷载下井字梁结构的最大弯矩M,与网格数m的关系; C(m,z)——战时核爆等效静载下设后加柱的井字梁结构最大弯矩M一与网格数m的关系; —— 动荷载下材料强度综合调整系数; —— 钢筋强度的设计值; A,——钢筋的截面面积; —— 内力臂系数; as——梁的保护层厚度. 3.2目标函数与设计变量 对于(5)式所示的目标函数,取设计变量 : (m,Z,h)(1O) 对于正方形结构,梁为双向等距网格布置,则: vc=2bh(m一1)(11) 若取b=hi2,则:=hL(m一1),S=h2/2,即本问题的目标函数为: 厂():了V+S:h.(m— J)+等(12) 3.3计算方法 问题归结为在满足(9)式前提下,如何选取(1O)式中的设计变量,使目标函数达到最小值. 3.3.1荷载效应系数(m),C(m,Z-)的算法 根据文[3]的研究,未加柱的井字粱结构单位面荷载下跨中最大弯矩与网格数的关系可表达为: c脚(m)=Bomc0(13) 式中:B.,Co为常数. 加柱后井字梁结构的最大弯矩取决于加柱方案,按照最佳加柱方案,可知加柱后井字梁结构的跨中最大弯 矩与网格数的关系可表达为: C(m,z)=Ad+Bde—cd(14) 式中:AB,i,为常数. 3.3.2强度极限状态条件下h—m的关系 将式(13),(14)代入(9)后得: ),GQsB.m+QdL(Ad+Bae-ca”,)=rd , A,),(一)(15) 这是一个关于h—m的代数超越方程.可以写出一般的形式 h=F(m)(16) 将式(16)代入优化模型式(12)中,可以得到: m):了V+S:F2(m)(m一 1)+(17) 问题归结到单变量函数的极小值问题,可以运用有关方法求解. 3.3.3工程算例 某人防工程采用跨度为20mX20m的正方形井字梁结构,工程抗力等级为X级,核爆等效静载 =120KN/rn2,平时荷载Q=22KN/rn2,混凝土强度等级为C30,受力钢筋选用HRB335级钢筋,= 300MPa,Y,i=1.35,受拉钢筋配筋率取2%,内力臂系数),=0.79,梁的保护层厚度a.=60mm. 根据文[3]的分析,式(13),(14)的荷载效应系数的表达式为: ? 24?防护工程2004年 CMo(/”I/,)=267.70345m(18) C删(/”I/,)=16.71162+1071.74639e一(19) 将式(18),(19)和有关计算参数代人式(15)可得: — 14—— 13— 4 i 5一 .6 +— 401— 04 +— 2572— 200 e—m:3199.5h(一O.06)(20) /”I/,’/”I/,/”I/, 由数值拟合方法可以得到式(16)的表达式为: h:F(/”I/,)=1.19475+6.92748e一(21) 将式(21)代人目标函数式(17)中,可以得到: . 厂(/”I/,)=[1.19475+6.92748e一](/”I/,一百1)(22) 在本文中. 厂(/”I/,)的极值运用曲线拟合法求解.根据/”I/,的取值可得相应的目标函数值见表1,f(/”I/,)与 /”I/,关系的曲线拟合图见图1. 表1目标函数值 l6.0 l5.5 l5.0 j墅14?5 鲁14.0 l3.5 13.0 12.5 45678910 /71值 图1m与f(m)关系的曲线拟合图 由图1可知,当网格数/”I/,=7时,目标函数f(m)lsJ,.故该结构方案取7×7网格时井字梁结构最 合理. 4结语 人防井字梁结构的抗力转换设计中需解决合理确定井字梁网格数 和梁的截面问题,本文通过分析井 字梁结构优化设计模型,对其中的设计变量进行适当地简化,从而提出一种以网格数和梁截面为控制变量 的人防工程井字梁结构优化设计的实用方法,可供设计中应用参考. 参考文献 [1]陈立周.工程离散变量优化设计方法一原理与应用.北京:机械工业出版社,1989. [2]李培林,吴学敏.混凝土密肋及井字楼盖设计 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 .北京:中国建筑工业出版社,1994. 第4期王丹等:人防工程大跨度井字梁结构抗力转换优化设计方法研究?25? [3]王丹.人防大跨度井字梁结构抗力转换优化设计计算方法研究[硕士学位论文].南京:解放军理工大学.2003. …………………………………… ll{i l美军转型研究简介之一i l——美国防部军事转型设想i ii !!l编者按:布什入主白宫前后极力主张美-- V-转型,要求建设”一支规模较小,更机动,更敏捷和l 5容易部署的部队,一支更依赖于隐身,精确武器和信息技术的部 队”.2001年美国防部长拉姆斯i l菲尔德主持进行了”四年一度防务评审”,提出了美军转型的6项作战目标.根据国防部长((2003l 5—2007财年国防 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 指南》的要求,关陆军,海军和空军于2002年制订了各自的《转型路线图》.5 l2003年4月,美国防部又颁布了《转型计划指南》,确定了转型的关键要素,制定了各单位在促进l 6转型方面的任务和职责,明确了国防部将如何组织,实施转型,以获得转型能力.为了帮助大家6 l了解美军转型方案,能力,倡议,过程,规划以及军事转型对未来战争的影响,本刊将陆续介绍美l 6军转型研究的一些内容和发展动态,供研究防护工程发展战略等参考..;il ii 6军事转型目前尚没有严格的定义,美国防部把军事转型描述为:”是通过对概念,能力,人员i l和组织编制的新的组合,塑造变化中的军事竞争与军事合作本质的进程,发挥我们国家的优势,i 5保护我们的非对称弱点,以巩固我们的战略地位,维护世界和平与稳定”.军事转型是从工业时{ i代向信息时代的重要转型,是美国防部的一项重要战略举措.军事转型开始于战略层次,联合作i {战概念是在美国国防战略和《联合构想》的指导下制定的.新的《联合作战概念》(JOPSC)是一个i i顶层的联合概念,它为军事转型以及制定下一级”联合作战概念”(joc)的具体细节提供了背景.i {最终,顶层的《联合作战概念》和下一级”联合作战概念”都将体现在包括条令,组织编制,训练,装i {备,领导与教育,人员以及设施等方面的联合作战能力的开发与采办之中.因此,军事转型是一; 4种从战略到概念再到能力的过程,是降低未来挑战风险的过程和关键.9 i军事转型是一个持续不断的进程,它没有终点,它由许多活动组成,这些活动通过协调和同步发; i展,能够产生新军事力量源泉的概念,程序,组织和技术,以规划和创造未来.军事转型将创造新的具9 l有竞争幽狗领域和能力,将确定和协调新的战斗力源泉,以维持美国在战争中的竞争优势.l {军事转型将极大地提高军队战略和战役级的反应能力,速度,范围和效能,使军队更加精确,9 l致命,灵活,更有适应能力,生存能力和持续作战能力.美国防部对军事转型的设想和战略要求i {是:建设一支灵活,网络化的部队,以便在主动保卫美国本土的同时,能够从前沿阵地采取行动l l(迅速从其他地区得到增援部队)快速而决定性地战胜对手.这样的部队,对于制止冲突,挫败敌l ;人的威胁是非常关键的.l l美国防部认为,随着军事技术迅速发展,特别是传感器,信息处理,精确制导等技术的迅速发i l展,以及化学,生物,放射性与核武器(CBRN)技术,装备与专家的扩散,使美国面临的威胁日益增i 5强.同时,技术进步为新型的太空与计算机网络空间竞争提供了可能性.太空与信息对抗行动} l的发展,使美国的安全比世界上其他任何一个国家都更加依赖于空间.美国空间体系结构的组l l成部分,包括地面站,发射设施,在轨卫星等,已经受到潜在敌人日益拥有的能力的威胁,许多国} l家都在发展旨在攻击军用和商用信息系统的进攻性信息作战能力,利用空间将成为未来军事竞l 5争的关键目标.因此,美国必须重视未来的新的威胁和危险,开发新的先进的作战能力.2001年j l的”9?l1事件”说明了不重视对未来的准备所带来的危险.从现在起必须预先为对付未来的突然i 5袭击包括太空袭击做好准备,以减轻其影响.; l(总参工程兵科研设计四所何唐甫侯蓉)ii ..蓦