基于可靠性的非线性钢框架结构优化设计

摘要

钢框架结构在多、高层民用建筑以及各种工业建筑结构(包括海洋平台结构、电厂锅炉支撑结构、矿山采矿井架等)中有着广泛的应用。与普通钢筋混凝土框架相比，钢框架结构具有重量轻、强度高、延性大、抗震性能好、施工速度快、构件截面小等优点。随着我国经济实力的增强和技术水平的提高，钢框架结构必将得到越来越广泛应用，成为我国主要的结构体系之一。本文主要探讨非线性钢框架的优化设计方法，包括：非线性钢框架结构的内力分析、可靠度指标的计算、遗传算法及其可靠性约束下在非线性钢框架设计中的应用。 常规的钢框架结构设计方法是对框架作一阶弹性内力分析，再在构件设计中以计算长度和等效弯矩系数间接体现结构的二阶效应，但要想精确地确定柱子的计算长度比较困难，对于侧移失稳框架有时误差较大。本文提出一种近似 p-△法可以避免复杂的二阶计算，以假想水平荷载考虑框架侧移产生的附加弯矩，并计入了缺陷等因素的影响。 本文介绍了结构系统可靠性计算的理论及方法，采用基于系统临界强度的约界准则和约界算法，将柔性自适应控制边界引入失效模式识别过程：同时，用荷载增量法和微分等价递归算法相结合，确保在严格不遗漏主要失效模式的情况下，快速准确地求解失效模式的极限状态方程和可靠度指标。 本文将结构可靠性分析和优化设计理论集于一体，采用了一种改进的遗传算法，对基本遗传算法选取改进的遗传算子和引入力学准则来提高其搜索效率，并通过对约束进行处理使算法能够应用于非线性钢框架的优化设计。推导和建立了非线性钢框架结构梁、柱基于可靠性的优化设计数学模型，将可靠度指标以分项系数的形式引入优化模型的约束方程当中，以实用表达式处理相应的约束条件，实现了结构设计的安全与经济的统一。本文最后给出了非线性钢框架优化的算例及结果分析。通过算例的分析和比较，证明了本文提出的方法是正确的和可行的。

目录

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第一章 绪论

1.1钢结构的应用与发展

1.1.1我国钢结构的应用

1.1.2钢结构的特点

1.2结构优化设计的发展概况

1.2.1结构设计和结构优化设计

1.2.2结构优化设计的发展概况

1.2.3工程结构优化设计的传统方法概述

1.3本文的提出及主要工作

第二章 非线性钢框架结构设计理论

2.1钢框架结构进行二阶分析的必要性

2.2我国《钢结构设计规范》对二阶效应的考虑

2.3国际标准ISO／DIS10721的相关规定

2.4考虑P-△效应的计算方法

2.5钢框架结构内力分析

2.5.1单元刚度矩阵

2.5.2转换矩阵

2.5.3总刚集成及平衡方程求解

2.6钢框架结构内力计算

第三章 结构可靠性分析的理论及方法研究

3.1结构可靠性指标的计算方法

3.2结构体系可靠性分析理论

3.2.1结构体系主要失效模式识别

3.2.2失效模式极限状态方程的生成

3.2.3失效模式和结构系统失效概率计算

第四章 改进遗传算法的理论及方法研究

4.1离散变量优化算法

4.1.1离散变量结构优化设计

4.1.2遗传算法的演变

4.2遗传算法的基本理论

4.2.1遗传算法的主要环节

4.2.2标准的遗传算法

4.2.3控制参数

4.2.4结构优化约束的处理

4.2.5遗传算法程序框图

4.3改进的遗传算法

4.3.1改进的最优保护遗传算法

4.3.2钢框架结构优化设计的加快收敛策略

4.4遗传算法在非线性优化中的应用

第五章 基于可靠性的非线性钢框架结构优化设计

5.1基于可靠性的结构优化设计的发展概况

5.2基于可靠性的非线性钢框架结构优化设计模型

5.2.1钢框架结构的应力表达式

5.2.2结构可靠度指标与分项系数的关系

5.2.3基于可靠性的非线性钢框架结构优化模型

5.3优化设计步骤

5.4设计实例及结果

第六章 结论及建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢