[發明專利]一種基于兩層面承載安全性的工程結構設計與優化方法

有效

• 申請號: 201310092076.7
• 申請日: 2013-03-21
• 公開（公告）號: CN103150444A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 楊綠峰;余波;張偉;李琦;劉慧娟;段秋華;徐華;歐偉
• 申請（專利權）人: 廣西大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京瑞恒信達知識產權代理事務所(普通合伙) 11382
• 代理人: 苗青盛;王鳳華

技術領域

本發明涉及工程結構的設計與優化方法，更具體地，涉及基于承載安全性的工程結構設計與優化方法，該方法通過彈性模量縮減法，從結構構件和整體兩層面承載安全性來進行工程結構的設計與優化。

背景技術

承載安全性是指工程結構在外部作用下防止破壞倒塌的能力，是工程結構最重要的性能指標?，F行的工程結構承載安全性設計方法，通常根據設計荷載下工程結構的彈性內力分析結果，按照最不利內力組合進行構件控制截面設計，以保證結構構件具有足夠的承載力和合理的強度分布，且結構整體處于彈性變形。對于重要結構，通常根據罕遇作用下結構彈塑性分析結果驗算結構的整體穩定性，以此保證結構整體不發生倒塌或嚴重破壞，且在極限荷載下按照預定方式發生失效。然而，當荷載超越設計值、甚至達到罕遇荷載時，實際工程結構因塑性變形將連續發生內力重分布，構件的承載狀態將隨之發生顯著變化。

因而，現行的工程結構設計方法采用設計荷載和彈性分析方法難以保證工程結構在罕遇荷載乃至極限荷載下整體層面的承載安全性。而且，按照罕遇荷載和彈塑性分析的結果，也難以保證工程結構在正常運營時保持合理的承載性能和經濟性。

此外，當前的結構優化技術建立于數學規劃法基礎上，難以與常規的結構設計方法相融合。同時，工程技術人員在實際設計中主要根據設計荷載作用下結構的內力分布和構件的承載狀態來調整構件的截面強度，未充分考慮構件承載狀態在結構失效演化過程中因內力重分布而發生的改變，所以難以開展高效、可靠的結構優化設計。

另一方面，彈性模量縮減法（計算方法參見論文：（1）楊綠峰,余波,張偉.彈性模量縮減法分析桿系和板殼結構的極限承載力[J].工程力學,2009,26(12):64-70；（2）Yang?LuFeng,Zhang?Wei,Yu?Bo?and?Liu?Li?Wen.Safety?evaluation?of?branch?pipe?in?hydropower?station?using?elasticmodulus?reduction?method[J].Journal?of?Pressure?Vessel?Technology,2012,134(4):1-7.）是近年來發展起來的分析結構極限承載力和整體安全性的方法，能夠通過線彈性有限元迭代計算，分析工程結構在罕遇荷載乃至極限荷載下的承載性能和整體安全性。由于該方法的首步、末步迭代結果分別反映了工程結構在設計荷載下的彈性內力和極限荷載下的彈塑性內力分布，所以可據此開展工程結構的構件設計，并根據構件安全系數與整體安全系數之間的關系，保證結構在構件和整體兩個層面的承載安全性，而且通過調整目標構件的截面強度，可以進一步優化結構的承載狀態，降低工程造價。

鑒于上述考慮，本發明將在彈性模量縮減法的基礎上，提出基于結構構件和整體兩層面承載安全性的工程結構設計與優化方法，以克服現行方法的不足。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于結構構件和整體兩層面承載安全性的工程結構設計與優化方法，以獲得承載性能和材料消耗均較優的結構設計方案。

本發明提供一種基于兩層面承載安全性的工程結構設計與優化方法，包括：步驟1，根據工程結構初始設計方案或調整后設計方案的幾何尺寸、材料參數、荷載狀況和約束條件，確定結構計算模型；步驟2，根據上述結構計算模型，識別高承載和低承載構件；步驟3，計算構件和整體安全系數；步驟4，根據構件和整體安全系數，判斷結構兩層面承載安全性，并且調整結構設計方案。

本發明首次提供一種基于兩層面承載安全性的結構設計與優化方法，能夠通過線彈性迭代計算，分析結構構件和整體兩個層面的承載安全性，保證結構具有合理的安全儲備并且通過識別目標構件并合理調整其截面強度，優化結構的強度分布和承載狀態，降低工程造價，獲得承載性能和材料消耗均較優的結構設計方案。

附圖說明

圖1表示輸電塔計算模型示意圖；

圖2表示輸電塔典型單元承載比和基準承載比的迭代過程示意圖；

圖3表示鋼桁架梁橋計算模型示意圖；

圖4表示鋼桁架梁橋典型單元承載比和基準承載比的迭代過程示意圖；

圖5表示正方四角錐網架計算模型示意圖；

圖6表示正方四角錐網架的單元編號示意圖；

圖7表示正方四角錐網架典型單元承載比和基準承載比的迭代過程示意圖；

圖8表示鋼筋混凝土框架結構計算模型示意圖；

圖9表示鋼筋混凝土框架典型單元承載比和基準承載比迭代過程示意圖。

具體實施方式