钢桁架拱结构的截面优化与程序

摘要

结构优化设计的目的在于寻求既安全又经济的结构形式。优化设计能合理的利用材料性能，使结构内部各单元得到最好的协调，并能满足强度、稳定和几何构造等各个约束条件。实践证明，结构优化能够缩短设计周期、提高设计质量和水平，有着显著的经济效益和社会效益。本文对下承式钢桁架拱结构进行了截面优化设计，具体应用满应力设计准则和满位移设计准则，合理确定了结构的杆件横截面面积，使结构在能承受给定荷载并满足多种约束条件的情况下，最大限度地降低结构的重量，寻求结构设计条件所允许的最优设计方案。 目前，相关的结构内力计算程序大多是Basic或Fortran语言编写的，本文通过有限元分析方法，用C语言编写并调试了钢桁架拱结构的内力计算程序，然后应用Matlab、AutoCAD等软件，作出相应的变化曲线，以便于分析在钢桁架拱结构的矢跨比不断变化时，内力、支座反力以及结构造价的变化趋势。 本文主要采用满应力优化设计和满位移优化设计两种方法，在满足强度、稳定、位移等约束的基础上，编写和调试了相应的截面优化程序，对钢桁架拱结构进行截面优化设计，算出每一杆件的最优横截面面积。 本文经分析研究，在同一荷载工况作用下，钢桁架拱结构的跨度不变，矢高不断增大——即矢跨比变大时，结构中杆件的最大压力、平均拉力、平均压力、平均轴力、支座水平反力、结构重量(工程造价)等呈现逐渐变小趋势；杆件的最大拉力、支座竖向反力等保持不变。通过算例分析，在受同样的荷载工况作用时，矢跨比在1/4到1/9的范围时，钢桁架拱结构经过截面优化后的杆件横截面面积相对较小，且结构的受力状态也较好。当结构跨度、节间长度以及所受荷载工况较小时，经过满应力优化设计得到的杆件横截面面积，在充分发挥材料性能，满足强度约束条件、稳定约束条件和几何构造约束的基础上，同时也满足了结构的刚度要求；当结构跨度、节间长度以及所受荷载工况较大时，经过满应力优化设计的桁架拱结构的刚度一般不能满足要求，还需要进行满位移优化，进一步调整杆件的横截面面积。 本文编写的钢桁架拱结构截面优化程序，对钢桁架拱结构的实际设计与安全评估具有较大的指导作用。本文钢桁架拱结构的优化设计思路同样可以应用于其它平面杆系结构，如肋拱、桁架、刚架等。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

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第一章引言

1.1拱结构的概况

1.1.1拱结构的发展

1.1.2国内外钢拱桥发展概况

1.2桁架拱结构的类型和特点

1.2.1桁架拱结构的类型

1.2.2桁架拱结构的特点

1.3国内外工程结构优化研究概况

1.3.1优化设计发展历程

1.3.2优化设计方法

1.4课题的目的和意义

1.5课题的研究内容

1.5.1课题的研究内容

1.5.2课题数学模型的建立

第二章桁架拱内力分析

2.1拱轴线方程的推导

2.1.1拱轴线形式的选择

2.1.2抛物线拱轴线方程的推导

2.2分析并计算桁架拱的内力

2.2.1计算简图及基本信息的确定

2.2.2影响桁架拱结构内力的主要因素

2.2.3基本数据的确定

第三章桁架拱内力计算程序编写与应用

3.1内力计算程序的编写

3.1.1计算桁架拱内力的程序流程图

3.1.2编写程序

3.2内力计算程序应用举例

3.2.1算例一

3.2.2算例二

3.3桁架拱的造价变化

3.4小结

第四章钢桁架拱的截面优化

4.1数学模型与求解方法

4.1.1设计变量与目标函数

4.1.2求解方法

4.2满应力优化设计方法程序的编写

4.2.1满应力设计的程序流程图

4.2.2编写满应力设计程序

4.3满位移优化设计方法程序的编写

4.3.1满位移设计的程序流程图

4.3.2编写满位移设计程序

4.4截面设计优化设计程序应用举例

4.4.1建立相应的读入文档

4.4.2计算结果的分析对比

第五章结论

5.1结论

5.2不足

附录一桁架拱内力计算程序

附录二内力计算程序输入文档举例

附录三满应力优化设计程序

附录四满位移优化设计程序

附录五截面优化设计程序输入文档举例

参考文献

致谢