多层框架梁、柱截面尺寸的优化（可编辑）

多层框架梁、柱截面尺寸的优化（可编辑） 多层框架梁、柱截面尺寸的优化 西南交通大学 硕士学位论文 多层框架梁、柱截面尺寸的优化 姓名:程斌 申请学位级别:硕士 专业:结构工程 指导教师:吴培明 19981201翔页 西南交通大学研究生学位论文 摘要 本文在按经验给出多层框架梁、柱初始截面尺寸的基础上,采用简单、有效、 易于编制程序的广义最优性准则法的优化 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,对钢筋混凝土多层框架进行 优化 调整以确定出梁、柱合理截面尺寸。.整个过程具有如下特点: 一、对绝大多数不规则框架用虚单元法形成规则框架进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 以减少结构的 几何数据输入工作量; 二、吾种葡载按类输入,有利于内力分析和内力组合,并且能依据给出条件 的情况,自动计算水平地震作用; 三、在内力组合时对有地震作用参与的组合值进行换算,使得优化过程更加 简捷,编程更加容易,计算更加迅速; 四、不论构件的初始截面尺寸如何选取,得到的优化结果几乎相同,只是迭 代次数和计算时间上有些差异; 五、最后得出的梁、柱截面尺寸是以材料和模板费用为目标的优化解,已经 很好地满足了工程上优化设计的要求。 【关键词】 多层框架; 粱、柱截面尺寸; 优化设计 西南交通大学研究生学位论文 第?页?.,, 。.: . , ’ , ..、,. , . .,鸿 .... ... .; ;? . ..第页 西南交通大学研究生学位论文 第~章 概述 ?.引言 电子计算机是现代科学的产物,它自从年问世至今不过年,但它的 发展如此迅猛,以至于改变了我们这个时代的生活方式一使人类进入了信息 时代。 计算机技术的更新和发展非常快,约每隔?年为一周期,其运算速度提高十倍, 成本却降低十倍,可靠性提高十倍,这个趋势至今只有加速而末放慢。世界上几 乎没有任何一个产品的发展可以与电子计算机相比的。 目前,电子计算机的科学技术水平、生产规模及应用的广度与深度己成为衡 量一个国家科学、经济和军事实力的重要标志之一。在一些科学技术先迸的国家, 其踪影已无处不见。因此,随着我国四个现代化建设的不断发展和改革开放的不 断深入,电子计算机在各个领域中亦得到了广泛的应用。这种发展势必冲击到所 有学科,当然对土木建筑这个古老的传统领域也不例外。 土木建筑工程中应用电子计算机一般比其它的领域要晚些,这是由于学科的 特点所决定的。土建工程有两个很突出的特点:一是其个性很强,世界上几乎找 不到两个完全~样的工程项目。与化工的连续生产系统及机械制造的离救生产系 统不同,土建工程是一个个单体。它的可统计性差、影响因素之间的相互作用大。 从信息角度看,它的不确定及不确知的信息多。也正是这些原因,土建工程中 有 许多问 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 是凭经验解决的。然而,收集、储存和表达经验是计算机不擅长的;二 是其综合性很强,一个多层建筑 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 不仅仅取决于力学分析,而是应该综合考虑 到环境、交通、商业等多种因素。这种综合决策系统越复杂、越无序,造成使用 计算机更多的困难。因此,在土建工程中应用计算机较其它领域难度更大。 然而,计算机在土建工程中应用的发展毕竟是很快的。在建筑工程中,早在 年就开始应用电子计算机。到了年代初,计算机的应用开始有了较大的发展。 年中国建筑科学研究院成立了电子计算机中心。目前,几乎所有的设计院及 条件较好的地、县设计院都配育大小不同,型号各异的计算机,并已积累了一批 比较成熟、可靠且经过实践检验的计算程序供设计人员使用。由于计算机的出现 和发展,土建工程中许多计算理论出现了“软化”,可以描述许多考虑信息不定 和不确定的现象。同时由于它的出现。土建工程中的许多经验可以收集起来被更 多人采用,这就是所谓经验的“硬化”。此外,计算机出现可以使人们摆脱大量 .西南交通大学研究生学位论文 第页 靠试验点回归的试验方法,鼓励人们去寻找更合理的数学物理模型,用少量的试 验支持人们对客观规律更深的认识。计算机协助控制的试验设备使原有的土建试 验有了新的飞跃,计算机实现的仿真系统和虚幻现实可以帮助人们减少一些耗资 巨大的试验。更为显著的是,计算机在协助设计、施工管理以致结构监测方面都 在发挥越来越大的作用。 电子计算机突出的优点是运算速度非常快,在进于结构分析时,可作多种结 构方案比较和优化,因而可大大地节省人力、物力,节省时间。但是,计算机不 是万能的。它毕竟是一个计算工具,尽管十几年前,海外华人给它冠以“电脑” 的美称,但计算机比超人脑的功能来说有很大的不同。尽管它在计算速度和精度 上是无可比拟的。但它在认知、推理和决策等方面比人笨拙得多。龙驭球先生归 纳说, “手算怕繁,电算怕乱。”这是从计算方面对人与机器精辟的分界。因此, 我们在用计算机进行辅助设计时,不能幻想计算机在土建工程方面完全代替人。 我们不应该力图把什么都交给计算机完成,而是充分利用计算机可咀达到的 能力, 把那些适合于计算机的工作交给计算机去做。这样,人们可以省出时间去做那些 更重要的工作。 在整个建筑设计领域,结构专业是最早引入计算机的,而在结构专业,随着 社会的进步国民经济的发展,建筑朝着高层、大跨、体型复杂的方向发展,这使 得结构设计人员的计算工作量急剧增加。计算机在结构专业的应用就是从计算开 始的。而在以后发展的时候,就很容易走上一条由计算到绘图一条龙的思路。 无论是原先由计算软件起家的系统,还是后来重新开发的系统,都有赶 这“一条龙”的潮流。实际上,目前这些软件之所以令设计人员失望的真正原因 不在于开发者们的编程技巧,恰恰在于这种“一条龙”的思想。 在这种思想指导下,总希望能够通过人机交互界面输入原始数据,包括总体 信息、几何信息、荷载信息,然后直接输出计算结果,随之再接着进入系统,完 成施工图的设计,这当然是一种非常理想和诱人的想法,但这一思路的正确性与 可行性如何呢 建筑设计是以国家规范为指导,以建设单位的意向为基础,以建筑专业为龙 头,包括结构专业在内的各专业互相配合互相协作的复杂过程。结构设计的 过程 是在建筑资料的基础上进行结构布置,形成结构简图,多次上机计算确定结构方 案和粱柱配筋,然后进行旌工图的绘制。虽然目前电算软件发展到具有相当的水 平,但对具体结构进行合理简化以形成计算简图仍然是~种必要而科学的工作方 法,尤其是在设计初期,过分拘泥精确也是没有意义的。例如,这种简化通常可 表现在以下几个方面: 粱柱定位的简化。在结构计算阶段,尚束与其他专业进行深入配合,梁柱 的具体位置并未确定。西南交通大学研究生学位论文 第页 部分次梁的简化。由于受机器及软件本身容量的限制,必须忽略部分次梁 的作用,并认为这并不影响结构整体的受力状态。 墙身结点及檐口的简化。由于建筑立面引起的边界粱的差异不可能在计算 简图中反映出来。 剪力墙及其开洞的简化。 只有在计算结果满足要求,各专业配合日益深化后.绘制施工图条件才真正 成熟,与计算简图相反的是施工图要求详尽、具体、定形、定位、定量,来不得 半点含糊。大量的设计人员在使用现行软件通过简圈生成施工图时,就深深感到 这种“一条龙”的做法使得计算时不得“简”之便,这时一心想的是一步到位, 为施工图做准备,束手柬脚。一旦进入施工图,又深为以前的疏忽所累,因为在 做简图的时候,限于当时的资料信息和人机交互手段,总是难以一步到位的;这 时若没有强有力的图形编辑软件,使用者就会有一种心力交瘁的感觉。此时我们 的软件开发者都无一例外的将这一难题交给,而一个未经开发的 环境对于专业制图来说,同样是无所适从的。使用者以前是千辛万苦,现在确是 迷惘和不知所措。将使用者推向这种作法,即反映了软件开发者的自身 能力,同时也反映了他们对用户的责任心。所以,我们不应走入这样一个误区: 即过分拘泥由计算到施工图的延续性。 ?.结构工程设计的现状与发展 结构设计是整个工程系统设计中最重要的环节。但是在以往结构设计主要偏 重于结构的分析,并由于种种原因而忽视结构的综合考虑和优化。以往,在结构 分析时,越到一个构件一个截面,计算越精确细致,而结构在综合考虑时,由于 信息、资料等基本基础条件有很大的不确定性以及推理的不确定性,并加之 我们 所考虑的目标的增多,故而越到宏观,我们所精确算出的结果越不确定。事实上, 唯一的正确的设计方案并不存在,而我们所谓的正确解答,也有一个被人们理解 的过程。“可用解”是人们最早在结构工程设计中提出的,即是人们预先设想一 个可行方案,然后通过分析计算检查是否满足要求,若是满足要求,就可作为设 计方案;若不满足要求,则作适当地修改初始设想的方案,直到满足要求为止。 这种设计方法至今在许多单位仍然适用。只是设计预先在预想的方案中增加了许 多经验公式及经验值,这是在总结前人的设计结果,有非常有用的价值,而其中 所满足的要求是国家所颁布的各种设计规范。 六十年代中期以来,人们已经发现了这个问题并在工程结构设计中寻找”最 优解”,即采用优化的手段,借助于电子计算机在无数个”可用解”中找出一个” 第页 西南变通大学研究生学位论文 最优解”.结构设计只有到了这个水平,才真正开始所谓”设计”?.为寻找” 最优解”就产生的结构优化设计,它不同于传统的结构设计.传统的结构设计, 首先是凭借经验和判断作出结构的初始方案,包括总体布置、材料选择、结构尺 寸和制造工艺等,然后进行结构分析,最后在力学分析的基础上检验其可行或者 不可行,必要时进行一两次修改.在这样的程序设计中,结构分析只起到一种求 其安全可行的校核作用图?. 一~二次循环 图?传统结构设计流程 传统结构设计还有很大的市场,但是随着现代化建设的发展,很多工程建设 对结构设计的要求愈趋复杂,使得设计者无成熟的先例可作借鉴,也就没有经验 值可以参考,故而难以作出合理的经验设计,更由于计算机技术的迅猛发展,在 结构设计的领域里,需要也能够综合考虑经济、工艺、材料与使用等各个方面的 因素,这样,再充分应用和发展运筹思想和数学规划的方法。寻找出结构设计的” 最优解”,以最大限度地利用资源、材料和设备等条件就能达到一定的目标.结 构优化设计是近二十多来发展起来的一门新技术,它的出现,使设计者能从被动 的分析、校核而进入主动的设计,这是结构设计上的一次飞跃。从已有经验看, 与传统设计相比,用优化设计可以使土建工程费用降低/%。优化设计能最合 理地利用材料的性能,使结构内部各单元得到最好的协调,并具有规范的安全度。 同时,它还可以为整体性方案设计迸行合理的决策,优化设计是实现设计的最终 目标??适用、安全和经济的有效途径。 从心理学、经济学 八十年代美国著名学者哈尔伯特?西蒙 和计算技术的角度进行研究指出,从实际出发,我们追求的应该是”满意解”, 而不是”最优解”“.所谓的”满意解“.可以说成结构的系统优化.对设计工 作者来说,有一个方案多变的问题,例如,施工图阶段的设计很少即为初步设计 方案,这样就会导致耗工、拖时的现象,严重的还会导致方案的失误.就以方案 多变来说,充其原因是设计者当时只从某一角度来考虑的;但是过了一段时间或 者按了另一个设计者来傲,又从另一个角度来考虑问题,这时显然又不满意以前西南交通大学研究生学位论文 第页 做的那个方寨了.问题在于对任何结构物来说,它是一个由各种有着相互联系、 相互制约的单体,如屋盖、粱柱、基础等构成的系统整体,再扩大范围看, 这个系统又属于一个与其它方面有着密切联系的更大系统的一部分,如结构物以 后的维护、保养等等;从而形成大系统.可是对这类系统的设计方案,由于没有 足够的统计数据,很多做这项设计的学者终以失败告终。在这方面,还要有大量 人力、物力的投入,也有待于更进一步的研究和探讨。 现在比较适用也比较可行的方案是进行构筑物的优化设计,以~定的条件为 目标,寻找解决此问题的最优解。在寻找”最优解”过程中,有很多文章是关于 结构重量最小的优化组合,尽管结构的重量是总建筑物费用高低的重要因素之一, 但是在客观因素中对可利用的资源进行优化最终是费用最低,然而在寻找最小费 用的过程中会遇到很多难题,这些难题在于费用本身的不确定性,更严重的是确 定费用的各个参数不确定及其模糊性,所以有关费用最低的论文相对于有关重量 最轻的论文而言是风毛麟角了,所以在我的这篇论文中就探讨一下在寻找最 低费 用为基础来优化结构的构件. 在多层框架的优化设计,一般考虑费用组成的主要因素是:混凝土的费用、 钢筋的费用以及模板的费用等材料费用及其它费用,可表示为: ? %岛 其中。为混凝土框架的总费用: 为钢筋混凝土等材料总价; 。加工的费用 %运输的费用 基础的费用 :『】装饰抹灰费用 施工费用 这是总体的、较为全面的分析,目前由于各种条件的约束以及所学知识的限 制,按上述目标来实现多层框架的优化是难以想蒙的,因此,主要考虑现今在 结 构设计中占主要地位的材料的费用。 ?.本文的主要工作内容 正如前面所述,建筑结构设计的一般步骤为:确定结构方案;确定 计算模型;进行结构分析;进行构件及结点设计;绘制旌工图。其中、 需要设计人员运用已有的知识和经验来完成,步骤、、则可应用程序软 件来进行。但其、会影响后续步骤,如果经验不足或无此方法的经验,则 . 西南交通大学研究生学位论文 第页 会造成不少经济损失。恰好,优化设计可以弥补这个缺陷。但由于统计数据以及 设计经验的缺乏,要对?个建筑物进行整体的系统优化设计是非常困难的,而现 在较为普遍的是在对建筑物构件进行优化,这种优化设计仅仅是对单独的构件寻 求“最优解”。这种优化设计在理论上很有用,但是在市场上还是缺乏实用性。 因为实际上很少有单个构件的构筑物,都是单个构件组成的整体。因为在现有情 况下,对整体进行优化设计的文章还很少。本文就以多层钢筋混凝土框架为例。 利用梁、柱构件的优化为基础,进行整个钢筋混凝土框架的优化,因为主要设计 变量为粱、柱截面尺寸,故内容范围定为多层框架梁、柱截面尺寸的优化,以区 别于考虑多种因素的整体的系统优化。 根提准则法对整个钢筋混凝土框架结构进行优化设计,其基本思路是: .按经验给出结构的初始截面; .采用矩阵位移法,在各种情况下对结构进行整体的内力分析; .把结构离散为单一的梁、柱构件,根据已求出的各构件受力状态,进 行离散构件的分部优化; .借助相应的递推公式修改设计变量以求得新的设计方案; .如此循环三、四次,对一般框架结构即可获得满意的结果。 第页 西南交通大学研究生学位论文 第二章多层框架梁、柱截面优化尺寸确定的总体构造 ?.多层框架结构设计的基本内容 一、钢筋混凝土多层房屋框架结构的应用 框架结构是由梁、柱组成的承受垂直荷载和水平荷载的结构,墙体起围护与 隔断作用,不传递力,是非受力结构构件。 框架结构建筑平面布置灵活,可提供较大空间,使用方便,能满足各种建筑 功能的要求,在民用建筑、工业建筑中广泛采用这种结构体系。 多层框架结构是指民用建筑层以下及类似的工业建筑,层、层以上框架 结构要按《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程?》设计。 二、框架结构房屋的平面立砸布置 非地震区,水平荷载主要是风荷载,所以结构的平面、立面布置可以灵活、 多样、限制少一些。 地震区,水平荷载除风荷载外,还有地震作用,地震作用是随机的、反复作 用,比较复杂,地震作用对结构的影响是比较大的。地震区的结构布置不同, 对 其计算与构造也不同,所以,地震区的建筑宣采用规则结构,规则和不规则结 构 主要是和平面、立面布置、质量、刚度的分布等因素有关。 三、框架结构的布置和型式 一框架结构的布置 通常将短轴方向称为横向、长轴方向称为纵向,根据框架承受垂直荷载的传 力情况分为下列三种: .横向框架承重 楼板直接支承在横向框架粱上或次梁支承在横向框架梁上,横向框架梁承受 板或次梁传来的力,纵向框架梁承受梁自重、部分板上的荷载和围护结构自 重。 由于横向柱子比较少,横向承重框架梁刚度比较大,有利于提高横向框架剐 度。 .纵向框架承重 楼板直接支承在纵向框架梁上或次粱支承在纵向框架粱上,横向框架梁刚度 较小,较少采用纵向框架承重。 .双向框架承薰西南交通大学研究生学位论文 第页 楼板或次梁分别寅接支承在横向和纵向框架梁上,整体冈度比较好,在工业 建筑中由于设备的布置多采用双向框架承重。 二框架型式 按施工方法不同可分为: .整体式框架 框架结构全部构件现场浇注,整体刚度和抗震性能好,当采用泵送混凝士和 拼装钢模板时,也可缩短工期和节省劳力,地震区一般多采用。 .装配结构构件均为预制,然后进行吊装和拼接,可省模板,缩短工期,但 费用较高,整体性能不好,地震区不宜采用。 .装配整体式框架 框架结构构件部分预制。部分现浇,一般有现浇柱、迭合梁,整体刚度比装 配式好。 四、计算原则和计算简图 一计算原则 .化为平面框架计算 多层框架结构是一个空间结构,计算是很繁杂的,一般结构可以化为平面框 架计算。这时通常作如下假定: 各榀框架只承受平面内的荷载,按平面框架分析,平面外刚度不考虑。 各榀框架通过楼板协调工作,楼板在自身平面内刚度很大,平面外刚度不 考虑,水平荷载是按各榀框架的刚度进行分配。 .非地震区框架的计算 横向框架承重按横向平面框架分析,纵向框架梁可按连续粱计算。如纵向有 较大水平荷载,纵向也应按框架分析。 纵向框架承重按纵向框架分析,横向柱子较多时框架梁按连续梁计算。否则 横向也按框架分析。 双向框架承重按横、纵两个方向平面框架分析。 地震区框架的计算 地震区设计分二个阶段,第一阶段是多遇地震下的弹性内力分析,所有结 构都要进行此分析。弹性内力分析后,要作一些增大翔调整强柱根、强柱弱 粱、 强剪弱弯等;第二阶段是对部分结构进行罕遇地震下的弹塑性位移计算。 地震作用可按两个主轴方向考虑水平地震作用并进行抗震验算,有斜交侧 力构件的结构,宜分别考虑各侧力方向的水平地震作用。度和度时的大跨度结 构应考惑竖向地震作用。西南交通大学研究生学位论文 第页 考虑地震作用时要计算出各楼层质点的等效水平地震作用,然后按静 力进行分析。当按多振型计算时,要计算出各振型的等效水平地震作用后,按静 力计算相应的内力和位移。并进行振型组合。 多层框架不论是纵向承重或横向承重。两个方向都要按框架分析。 规则框架结构不考虑地震的扭转效应,不规则的框架结构要考虑水平地震 作用的扭转效应,宜采用空间协同分析。 沿竖向不规则的结构除考虑扭转效应外,还应考虑应力集中的影响。 对于特别不规则结构,宜采用时程分析进行幸充验算。 目前框架结构的计算一般都采用计算机进行计算,计算程序也是比较多的。 民用建筑一般都采用平面或空间分析程序,工业建筑规则结构一般按平面框架分 析。不规则结构采用空间协同分析后按平面框架分析。 二初步的计算模型 .计算单元 化为平面框架结构计算时,可根据受荷面积取出一榀或几榀有代表性的进行 分析。 .柱轴线梁跨度 一般取底层柱中心或柱轴线,当柱上、下层截面变化较大时,则梁的刚度、 固端弯矩可取相应层的柱中心线计算,上、下层各跨相差不超过%一时,可按 平 均跨度计算。 .层高 底层取基础顶面到底层粱顶,中间层可取粱顶到梁顶的间距,对于斜粱当斜 度不超过/时,可简化为水平梁。 .柱底与基础连接处,可按固定端考虑 .框架梁截面尺寸 框架梁高 , 一 妨‘;~亩’厶 。为框架粱计算跨度,当梁上有较大设备荷载时,还可以加大。不宜大于 挣跨的/。 框架梁宽妒?~屯当满足上述要求时,一般可不验算梁挠度。 .框架柱截面宽度以和高度也应大于柱计算长度助的/,即。、五,,::。 第页 西南交通大学研究生学位论文 一般可取~击曲,五为层高。 也可根据柱子支承楼板的面积上所承受的恒荷,活荷及墙重等,计算柱的最 大竖向轴向力设计值考虑水平荷载的影响乘上系数预估柱子截面尺寸。。 非地震 :一 一一.。?? 一 地震 .~.。 ? .??坚 一级抗震等级 。.。 ? .??坚 二级抗震等级 。.。 ? 三级抗震等级 。.。 式中 抗震等级见规范? 柱子截面一般助啪,?其中边柱的截面高度。尚应满足框架梁纵 向钢筋水平锚固长度.。的要求;柱子净高与截面的高度也之比宣大于,否 则是短柱。 地震区柱子截面宜是方形或接近方形的矩形。 ?.结构优化设计程序编制的一般原理与方法 一、概述 一个人要完成一项结构的普通设计,通常要扶几何数据荷载数据等的收集整 理开始,经过内力分析,荷载效应组合,各个构件的配筋计算,各种约束条件和 所示。 限制条件的验算,最终才进行施工图绘制等几个步骤。其流程图如图 而要完成一项结构优化设计任务,与普通设计不同的是在各个构件的配筋计算中, 考虑了许多限制和约束因素之后进行优化,如没有达到优化的目标,则通过迭代第 页 西南交通大学研究生学位论文 修改一些主要的设计变量,重新经过内力分析与组合,再优化设计,达到优化目 标并经过限制与约束的验算,最后绘制施工图。设计的流程图如图?所示。如 果要用电子计算机来完成一项结构设计任务,它也同样要做以上这些工作,经历 如图?所示的流程。因此,作为计算机为完成结构设计任务而执行的程序文件, 即结构优化设计计算程序也就必须包括上述流程图中的各项内容,见图。 数据的整理与输入/ ? 内力分析 荷载效应组合 ’ / 杆件配筋设计 ? / 施工图绘制 图结构设计流程 二、程序的模块设计 程序设计通常分为两个阶段来完成:首先是结构设计,然后进行过程设计。 其中结构设计是确定程序由哪些模块组成,以及这些模块之间的关系;过程 设计 是确定每个模块的处理过程。 因此,为确定软件的结构,首先应把复杂的程序功能进行分解,把程序的总 功能分为清晰明确的大功能模块,然后再将大功能块逐渐分解成小功能块, 使大 功能块完成一个系统功能,小功能块完成大功能块中的一个子系统功能,最 下层 的模块完成最具体的功能。 模块设计一般有如下几点要求,才称得上高质量的模块。 独立性 一个模块应具有独立的功能,即表示该模块不与其它模块直接发生横向联 系, 与其它模块只能是在入口和出口之间才有接口关系,模块中的信息应局部化 这 在语言很容易实现,因其有局部变量。西南交通大学研究生学位论文 第】页 .简明性:每个模块都应该简单易懂,易于实现;大小应该适度。 .完整性:每个模块在逻辑上应当是一个自身与环境隔绝的整体,它鹿表示 一个独立而相对完整的功能。独立进行编译和调试。 .深度宽度扇入和扇出都应当适中。 深度表示软件结构中控制的层数;宽度表示控制的总分布;扇出表示直接由 一个模块控制的模块数目;扇入表示直接控制这个模块的数目。 .一个模块的限定影响只限制于该模块的控制域中,避免模块间的横向控制 耦台。 .力争降低模块之间接口的复杂性。 .尽量设计单入口、单出口的模块。【 三、结构化程序设计 在模块设计的基础上对模块进行更详细地设计,目的是对目标系统避行更精 确的描述,从而使下步编码阶段把这个描述直接翻译成高级语言书写的程序 文件。 本文所用程序是采用 和语言进行编写的。 结构化程序是一种程序设计技术,概括地说,结构化程序设计的基本理论, 主要是如下三点:“ 一.“自顶向下,逐步求精”的设计思想 它的实质就是“从抽象到具体”的构思方法,采用逐步求精的设计方法。它 打破了过去传统的由底向上的设计方法,自顶向下,从最高层模块开始逐步地进 行模块结构设计,先全部后局部,先整体后细部,有清晰的层次结构,可以使设 计者能够纵观全局,出顶向下逐步求精。同时也可避免过去由底向上设计方法会 出现的某一模块虽己调试通过,但又不符合总体要求,只好弃之不用的弊病。 二.“独立功能,单入出口”的模块结构 结构化程序应按功能划分模块,以及只许高层模块调用低层模块的特点,模 块本身完成某种控制,并且可以把它同整个系统其它模块隔离开来。所谓“单入 出口”是指某一模块与其它模块的接口,应为“单入口,单出口”使用单入口、 单出口的控制结构,使程序模块的羯合性差,内聚性强。 .“仅用三种基本控制结构”的写码原则 三种基本控制结构,就是顺序结构、分支结构、和循环结构三种,这样控制 结构具有确定的逻辑模式,程序清晰流畅。 当然,如果结构模块小,则易修改、易拼装、易重复使用。 , 西南交通大学研究生学位论文 第页 ? 图结构优化设计流程 第页 薅南交通大学研究生学位论文 ?.多层框架梁柱截面优化程序的实现 由上所述,基于模块化和结构化程序设计的要求,本程序主要由七大基本模 块构成,即几何数据前处理模块、荷载前处理模块、荷载分析模块、内力分析与 内力组合模块、构件优化模块、检验模块、绘图模块。由于篇幅等因素的限制, 本文只主要对荷载分析模块、内力分析模块、构件优化模块以及检验模块进行了 探讨多层规则框架结构。在荷载分析前加入一个数据输入及处理的模块。每 个模块均咀数据文件为单一入口,也以数据文件为单一出口,若要连续运行,可 以用批命令文件给予执行;也可以用控制函数来实现。各个模块的顺序如下: 图?优化程序的模块组合 .西南交通大学研究生学位论文 第三章多层框架的数据输入与荷载分析 ?.引言 现在有许多的结构设计软件,是由设计人员确定结构类型和数学模型, 形成初试的内力分析数据文件,再进行内力分析和构件配筋的,其中大部分是以 图形前处理软件或人机交互来形成内力分析所需的数据文件。下面例举几个现今 使用较多的软件: 中国建筑科学研究院建筑结构研究所工程部开发的系列建 筑结构系统.是用软件中的交互式数据输入来输入结构的设计参数: 用软件中的交互式数据输入来生成有关结构设计数据,并进行平面框架的内力 分析和配筋计算。邢【】 中国建筑科学研究院建筑结构研究所工程部开发的建筑结 构设计软件,其几何数据文件形成有两种方法:一是按照 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 格式由设计人员填 写并输入电脑形式,对于实际工程而言,这种方法的工作量非常大;另一种是利 用专用的图形录入程序,将工程以图形方式逐标准层通过人机交互方式输入电脑, 最后由程序自动完成构件的编码、结点坐标生成以及上下层连接关系确立并生成 几何数据文件,其荷载数据文件也有两种输入方式:设计人员按规定格式输入和 利用自动导算荷载的前处理程序,通过人机交互方式输入。可以根据这些 文件进行结构内力分析,计算地震作用并进行内力组合、配筋设计等。汹】 其他的还有结构辅助设计系统、建筑结构设计 软件及、、/结构设计软件系列等等不能一~列 出。 如果把这些软件同优化设计部分接口,就是很好的设计软件。但是,由于作者 无法使用上述软件来得出多层框架结构构件的内力结果,就不能利用其进行下一 步的优化设计。由于多层框架常可以化为平面框架计算,即把各种荷载分配到每 榀框架,然后各榀框架单独分析计算。因此,单榀框架的分析设计仍是一种行之 有效的作法。本文以单榀框架设计为基础,进行荷载分析,内力计算和组合.并 进行框架梁、柱截面尺寸的优化设计。 第页 西南交通大学研究生学位论文 ?.原始数据的输入 一、输入数据的内容: 对于一个程序,其计算任务与结构类型不同,数据的选择与组成也就不同, 输入的数据内容也就不同。对于框架体系的整体优化,其结构方案和计算模型按 第二章第一节所述,一般取为横向框架承重,并按?.中的假定,化为平面框架 计算。因此,需按平面框架结构来组织数据。而平面框架结构输入数据可分 为两 大部分,即结构内力分析所需数据和构件优化所需数据。 一内力分析数据 平面框架结构内力分析一般按平面杆系结构来计算。而由结构力学可知,对 于平面杆系结构的矩阵分析来说,它的核心是整体刚度方程或结构刚度方程 的建立与求解。平面杆系结构的整体刚度方程是: ? 式中的符号意义如下: 一作用在结构上的荷载列向量; 一结构的总刚度矩阵; ?一结构的结点位移列向量。 为了形成荷载列向量,必须知道荷载的作用情况,如荷载的形式、作用位 置及数值等。为了形成总刚度矩阵,必须知道各单元长度、截面特性、单元 码及 结点码等数据。同时,还应知道结构的支承约束情况,以便进行支承条件的处 理。 因此,平面杆系结构分析,通常输入下列内容数据。 .结构几何形状数据:包括结点数,结点坐标值,单元数,单元端点码,单元 截面尺寸等, .结构材料特性数据:弹性模量。 .结构约束情况数据:约束数及约束所在结点号与方向等。 .荷载情况数据:包括荷载总情况,荷载形式、作用点或作用单元号,荷载值 及作用方向等。 二构件优化设计所需输入的数据 平面框架结构构件的优化设计一般包括梁、柱等结构的优化计算。由钢筋混 凝土结构可知,一般需要输入下列内容数据: .有关几何尺寸:包括框架梁、柱初始截面尺寸、钢筋中心位置。 .构件所使用材料的力学特性:包括钢筋、箍筋与混凝土强度等级等。 .混凝土设计规范规定的有关数据 .构件内力数据则直接从内力分析中读取,不必另外输入。 二、情况信息数值化第 西南交通大学研究生学位论文 页 以上要求输入的数据,一些是有具体内容的数值或数量,如结点数、单元数、 荷载工况数、荷载个数及各个荷载值,杆件截面尺寸及材料强度等级等,这些输 入可以直接输入,机器能够认识并接受和进行加工处理。但是,另外一些要输入 的情况,如支承的约束方向,单元坐标系的建立,作用的荷载形式及作用方向等 均属于有关情况的信息,对于这些情况信息,应人为地进行数字化然后输入,计 算机才能认识,并进行加工处理。例如规定沿方向约束为,方向约束为, 抗转动约束为。又如规定结点荷载的作用方向方向为,方向为,集中力 逆时针的指向相同为正值。规定单元坐标系由 偶为,并规定荷载与、、 单元端到端为轴,轴绕端逆时针转/为正轴。总之,将一切要输入 的情况信息加以数字化,以便计算机接受和加工。 三、数据的输入 一个结构设计计算程序的数据输入,是直接与设计人员打交道的,数据输入 组 织的好不好,是评价一个程序优劣的重臻方面之一。它的基本要求是: 满足计算程序对数据的要求; 输入的数据尽可能少; 用户输入时尽可能容易; 方便检查与改正 为此,在程序的设计与编制时应周密地、全面地考虑,哪些数据直接输入,哪 些 数据间接生成,哪些先输入,哪些后输入,用什么方式输入等,科学地、系统地 组织数据的输入。 、数据的命名 输入的数据有的是单个变量,有的是数组,为了便于区别与记忆,它们的名 字所用符号尽可能“由意取名”。由于语言区别字母大小写,作如下简化: ;;;;;;等。例如单元数 取名为变量。又如结点坐标数组取名为,单元杆件截 面宽、高尺寸数组取名为数组等。 、数据输入的顺序 这里所说的顺序有两个方面的含义:第一个含义是,按计算机算法语言的要求, 某些数必须在另一些数之前或之后输入。例如结点数、单元数及荷载工况数等必 须首先输入,才能输入结点坐标数组、各单元信息数组及各项荷载的信息。要遵 守“控制数据先输入,被控制数据后输入”,第二个含义是,暂时用不着的数据, 安排在适当的时机输八。例如结构所用材料的力学特性强度等级等在内力分 析时用不到,就安排在内力分析后,优化设计前输入。实行“先用先输入,后用 后输入”。 、数据输入的形式 第页 西南交通大学研究生学位论文 在这里也有两个方面的含义,第一个含义是数据的形式,对于只有一个简单 数量或数值的数据可以用简单变量形式输入,如单元数、结点数,层数等。羽于 同类意义的成批数据可以组成数组形式输入,如结点坐标组、跨度数组、层高数 组等。有一些情况信息也常常与相关的数据组成信息数组形式输入,如结点荷载 信息与结间荷载信息数组,就是荷载作用位置、作用方向等情况信息与荷载值组 成的信息数组形式。约束信息数组则全是由约束所在结点号与约束方向等情况的 信息数字所组成的。另外,各个数据在数组中按什么规律排列及数组大小,都要 在程序设计时根据所用的算法语言、机器类型及方便用户输入的要求,做深入的 考虑,再作出合理的设计。 如是确定不变的数据,可用程序内 第二个含义是用什么方式输入数据: 赋值语句输入; 改动很少的数据用编辑器建立数据文件用文件式输入; 对于在计算中需随情况而经常修改的输入数据,通常人为地从键盘输入。 四、规则多层框架几何数据输入 、规则框架与虚单元 全部绪点为刚结点,杆件正交的框架为规则框架。若此类框架缺粱缺柱,引 进虚单元仍按规则框架处理,如图所示。虚单元的截面积与惯性矩取值为零, 其单元刚度矩阵也就为零,因此对总刚度矩阵与内力分析是没有影响的。对于图 所示框架若引入虚单元,则柱?出现虚结点,作为内力分析与荷载效应组合来说 是没有问题的,但是作为柱杆件优化设计来说,要注意柱的计算长度的正确 取值。】 ? ? ? 】】? ? ? 孕 ?参 ◎ ? ? ? ? ? ? ? & ~ ◎喝 ’’十 ,, ,予 一 图边柱缺梁框架 图缺梁缺柱框架 注:虚线表示虚单元 西南交通大学研究生学位论文 第页 实际工程中大多数平面框架是属于规则框架的,因此饭藉甄丽囊丽再雨?丽 究简化输入数据方便用户使用具有十分现实的意义。 / ? ?? ? ? 亘 。妒 誓 ? 坠业唑塑 图 规则框架 、规则框架与任意形状结构的关系 图?所示规?框架,结点编码顺序由跨到层,单元编号先梁后柱,顺序 也由跨到层,如图中所示,框架实有跨,层,依次各跨的跨长分别为: , 依次各层的层高为: ,???.? 基本数据的生成 就可以计算生成下 参看图,当规则框架的跨数与层数确定后, 列基本数据; 结构的结点数:× 、 结构梁单元数:× ? 结构柱单元数:× 结构单元总数: 结构约束总数:× 结点几何信息数据结构的生成 每个结点所具有的几何信息包括其结 点号、处于第几层到第几列、其坐标。则定义其结构如下: . 墨垫垦 堕塑窒望奎堂堕塞竺鲨堡奎 : 第层 第列 ; 舭: 坐标值 : 坐标值 ; 其中:结构数组的下标表示该结点的结点号。 最大编码数即结点数× ? 第层第列结点编码为:× 式.中的取值范围从到,取值范围从到 第层的坐标相同且 班一】 其中取值范围从到. 第列的坐标相同且 ?】 其中取值范围从到 图.结点几何信息形成流程图 一一???????????五面丽赢面而西南交通大学研究生学位论文 第页 则第层第列的坐标为: 【】.幻., 单元几何信息数据的生成 每个单元几何信息包括单元编号。单元两端,号码信息,还有 单元所属杆件截面类型信息,则定义单元数组的结构类型为: : 梁左柱下端结点号 梁右柱上端结点号 ; ; 杆件截面类型号 ; 杆件截面宽度 ; 杆件截面高度 杆件截面面积 : 杆件截面惯性矩 ; 其中:下标即为按先梁后柱的顺序编排的单元序号。 ?梁两端结点号的确定 第层第跨左端结点号为: ? 宰十 第层第跨左端结点号为: 十 式中的取值范围从到,的取值范围从到。 ?梁单元编码规律确定 第层第跨梁单元编码为: 式中、取值范围与式、书相同。 ?柱单元两端,结点号确定 第层第根柱子下端端结点号为: ~ 第层第根柱子下端端结点号为: ? 卑 式中的取值范围从到,的取值范围从到。 ?梁、柱单元所属杆件截面类型信息 第一根柱子单元号是粱单元号最后一个编号梁单元数之后起算。因此,第 层第根柱子单元编号为: :西南交通大学研究生学位论文 第页 ?柱单元编码规律确定柱单元 分别按梁、柱单元序号逐个输入,存在.中。 ;;?一 ;; ; .: .; ;。;‘ 撕;; 卜 十; ? ,。; ,..; .十;...; 图单元信息函数 支承的约束信息生成 支承应具有的几何信息有:该支承所处结点号、该支承的方式,方向、 方向、抗转动用表示三个方向,如果有约束,其值为,如无约束其西南交通大 学研究生学位论文 第页 篮为,定义支承的约束信息结构体为 结点号 方向约束信思方向约束信息抗转动约束信息 , 对于规则框架结构,只有底层的柱子下端有支承约束,并且只考虑固定端支 承,即底层每一枝子下端有三个方向约束。结构支承共有底层柱数的结 点数个 则 ... 。 ? .: , 结束 、 图 函数 .框架几何信息数据的输入程序段 从以上分析可知,对于规则框架,只要直接输入跨数、层数及跨度数组、 层高数组等数据,程序应可以自动生成其他有关几何数据。 程序框图 第页 西南交通大学研究生学位论文 塑夏 ? ; 】 调用,,函数 ‘。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。’。。。。。。。。。。。。。’。。。。。。。。。。。。。一 得出各结构体数组的值 ; 皇 结束 】 图.几何信息数据输入函数 框图中主要标识符号意义 ??规则框架跨数 一???????????????????历面蕊丽丽面西南交通大学研究生学位论文 第页 ??规则框架层数 ??结构单元杆件截面类型数,截面尺寸相同的杆件划归一类,所有虚 单元作为一类 ??结构的材料弹性模量 ??规则框架跨度数组。该数组应是框架跨度数的,于,这里 定义下标为.表示可算最多跨的框架。数组的每行数值从左到右各跨长 度值,跨度以毫米为单位。 ??规则框架层高数组。该数组应是框架跨度数的行, 这里定义下标为,表示可算最高层的框架。数组的每行数值从上到下各 层高度值,跨度以毫米岫为单位。 ,??其意义见图所示。 .??单元杆件所属截面类型的信息码,按先梁后柱,从左到 右,从下到上,全部实虚单元统一排号顺序。 ??结构数组,其结构体如下:,单元截面宽度 .单元截面高度 . 以上长度单位均以。 对于非规则框架几何数据组织与规则类似,只是结点信息结构体数组、单元 信息结构体数组等均不可由程序自动生成,而需设计人员输入,并且单元杆端性 质还需另设一结构体数组如下: : 端性质 . 端性质 : 杆端性质信息规定为:杆端为铰或杆端弯矩为零则为,否则为。由于非规则框 架应用不多,并且只是数据的重复输入,本程序未作处理,需要时按数据文件格 式录入即可。 五、荷载情况数据输入 荷载情况的数据是结构设计所必须的重要数据之一,其情况复杂、数量大。因此, 全面考虑,周密地组织.尽可能简化有关数据的输入,这不但可以提高程序白勺档 级,也将方便设计人员。 一荷载的类型 这里所说的荷载类型有两个方面的含义,其一是荷载的作用形式,其二是衙载的 性质。 、 荷载的作用形式西南交通大学研究生学位论文 第页 从荷载在结构作用位置来区分,有作用在结构结点上的结点荷载与作用在单元杆 件上的结间荷载。 结点荷载 有水平方向与竖直方向结点荷载,还有作用在结点上的集中 力偶。在编制程序时我们将用、、的数字代表上述种结点荷载方向的信息, 以便计算机认读。 结间荷载 结闻荷载情况复杂,分布形式种类较多,但是可以归纳为如 图 所示的种分布基本形式。至于其他分布形式,都可以由这种形式去组 合而成。如梯形分布荷载,可由两个三角形或一个三角形与一个矩形组合而成, 可以分别计算,然后叠加。结间荷载是作用在单元上的,为了计算的方便,结闻 荷载的方向是用单元坐标系来判读的。通常取图?所示坐标为单元坐标系, 即 以单元杆轴为轴,且由单元端到端方向为正单元、端有信息 数组确定,轴逆时针转为轴。规定与轴轴同向的结间荷载为正值。应当 指出,单元坐标系是一个很重要的工具,除了结间荷载要由它来判读外,最后 杆 端内力也是由它来判读的。而所谓单元坐标系则是由前面所述的信息数 组来建立的。 基 垫蠡 第一类结间荷载 第二类结『司荷载 第三类结间荷载??? ?玎??『 ,’ ,音’ ????一?’ 型生 , 型垒 . 单元坐标系。 第四类结间荷载 第五类结间荷载图结间荷载类型图 图的符号意义如下: ??荷载分布长度,单位为毫米。 一结间荷载左端到单元端的距离,单位为毫米。 ??结间荷载左端到单元端的距离图中未标出,单位为毫米。 一结问荷载分布密度的最大值,与单元坐标系的轴若轴向荷载与轴西南交通 大学研究生学位论文 第页 同向为正.反之为负,单位为千牛或千牛/米/。 ,一单元杆长,单位为毫米。 其中,。可以在程序中按结点坐标自动计算,: .荷载的性质 有的荷载作用在结构上的位置、方向与大小都保持不变的,如自重等,这种荷 载称为永久荷载恒荷载。有的荷载则不然,有时存在,有时不存在,如人、 家具等荷载,这种荷载称为竖向楼面可变荷载活荷载。还有风荷载、地震作 用也是一种可变荷载。对于结构的分析与设计来说,恒荷载是必须考虑的,对于 竖向楼面荷载与风荷载、地震作用来说则按其对结构的最不利影响进彳于考虑。因 此,输入荷载数据时,也要用相同的数码表示荷载的上述性质,以便计算机认读, 并作相应有关加工处理。 二荷载情况数据输入的程序框图 图是荷载情况数据输入的程序框图,图中标识符意义见下面的解释。在 一般情况下,菏载情况数据与结构几何形状数据都是在同一数据文件输入的,因 此这里所打开的文件就是输入结构几何形状数据时的文件。荷载情况数据输入的 最终目的是自动生成对应于荷载效应组合的各个荷载工况数据,以便进行内力分 析,然后进行最不利的效应组合。 三主要标识符意义 ??结点荷载类型数。作用在结构上力向相同, 数值相等的结点荷载划归一类。 ??作用结构上的结间荷载类型数。作用在结构上分布形式、分布长度, 荷载分布左端到作用单元端距离及分布密度最大值相同的归一类。结间荷 载分布形式如图?所示分为类。对于图所示满作用单元分布,且方向相 同的、、类结间荷载,不论其作用单元长度是否相同均可归为相应的一类。 若不满作用单元分布,则按上述原则归类。 ?前载数组,即工况数。 ??结点荷载类型结构体数组。 :: . 数组应是结点荷载类型数行,这里数组定义行是程序可算最多结点荷 载类型数。是该类结点荷载的作用方向。方向是,方向是,集中力偶足 。是结点荷载值,其中集中力与结构坐标系同向为正,集中力偶以顺时针方向 为正。数组按结点荷载分类排行。着,数组不输入。 ??结间荷载类型结构体数组。 : : , : : 数组应是结闻荷载类型数行,这里定义数组行是程序可算最多结同荷西南交 通大学研究生学位论文 第页 裁类型数。是结间荷载分布形式的类别,结间荷载分布形式按匿分为类。 是荷载分布的长度衄,是结间荷载重心到作用单元端的距离。是 结间荷载分布密度的最大值,的单位及正负号与前述相同。 图荷载信息数据输入函数 对于图?所示的第、、类结问荷载,若是满布作用单元的,数组的 与值均以输入作为信息,其真值则由程序自动生成的。数组按作用在结构 第页 西南交通大学研究生学位论文 上的结间荷载分类排行。若,则数组不输入。所有输入的恒荷载、竖向楼 面可变荷载活荷载、风荷载均为荷载标准值。 ??荷载组数信息结构体数组。 : ; :; 数组应是荷载组数行,这里定义行,说明程序可算最多荷载组数 个。是对应荷载工况的结点荷载个数,是该工况的结间荷载个数,数组拔荷 载组数编号顺序排行。是该工况荷载性质信息,恒荷载性质信息码是,楼面活 荷载性质信息码是,风荷载性质信息码是,地震作用性质信息码是。荷载输 入的顺序是,先楼面活荷载后风荷载,最后是恒荷载,而地震作用由程序自动 处 理: ??荷载工况的结点荷载信息数组。 , :, 它是告诉计算机在工况中的结点荷载作用的结点码,是哪~类结点荷载。数 组应是该工况中结点荷载个数.行,这里定义行是说每个工况最 多允许有个结点荷载。是结点荷载的作用点号。结点按从左到右,从下 到上实、虚结点统一排号。是该结点荷载属于结点荷载类型数组数组 对应的种类。数组任意编行。若.,则数组不输入。 ??荷载工况的结间荷载信息数组。 : : . 它是告诉计算机在该工况中的结间荷载作用的单元号,是哪类结画荷载:数 组应是该荷载工况中荷载个数.行。现在定义了每组工况最多可有结 訇荷载个数为个。是结闻荷载作用的单元号。是该结问荷载属于结 间荷载类型数组数组对应的种类。数组任意编行。苦., 数组不输入。 ?.梁、柱白重荷载分析 由于框架优化设计梁、柱的截面尺寸要改变,因此在组织荷载时应把粱、柱 自重单独考虑,以利于框架梁、柱截面尺寸修改后能迅速地进行重