基于拓扑优化的框架结构抗风设计方法研究

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风载荷是建筑物受到的最主要的,也是最常见的荷载类型。与地震作用相比,风荷载作用的持续时间更长,强风出现的频率更高,风力作用对建筑物使用年限的影响也更大。框架结构是目前工业与民用建筑应用最为广泛的结构体系,对于其结构形式的优化是值得关注的研究方向。拓扑优化能够大大地改善框架结构的性能,也可以在保持结构的原刚度不改变的情况和前提下,将结构的重量减轻,在节能环保的角度上给人们带来直接的经济效益。拓扑优化方法能够在工程结构的设计初始阶段给设计者提供一个概念设计,使结构得以在布局上采用最优的方案,与尺寸优化和形状优化相比,具有更好的经济效益,也就更容易被工程技术人员和设计者所接受。因此,基于拓扑优化方法对于框架结构建筑进行抗风设计及工程加固改造研究,具有非常重要的研究意义。在此背景下,本文主要进行了以下几个方面的工作:首先,运用通用有限元软件ANSYS对12层的钢筋混凝土框架-斜撑体系进行有限元模拟分析,计算自重荷载下的变形和前六阶模态计算结果,以及风荷载作用下框架-斜撑体系的各层节点位移,结果表明,满布斜撑框架的整体性能要远远优于无斜撑框架。其次,在满布斜撑框架的基础上,基于HYPERMESH拓扑优化模块对斜撑的布置位置进行优化,约束条件设定为附加的斜撑数量。最后对优化结果进行了选择和修正,修正结果显示,当斜撑布置位置集中在结构底层及边跨,斜撑数量为满布斜撑数量的27%时较为合理,并且接近于满布斜撑体系的性能。说明基于拓扑优化对框架-斜撑结构进行的抗风设计是有效的,可行的。
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