[發明專利]一種混凝土深梁的鋼筋直徑多層次拓撲優化設計方法

有效

• 申請號: 202110565512.2
• 申請日: 2021-05-24
• 公開（公告）號: CN113191060B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 張鵠志;劉鑫;尹斌;黃垚森
• 申請（專利權）人: 湖南科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 長沙惟盛赟鼎知識產權代理事務所(普通合伙) 43228
• 代理人: 滕澧陽

本發明涉及一種混凝土深梁的鋼筋直徑多層次拓撲優化設計方法，具體包括如下步驟：S1：劃分混凝土與鋼筋單元；S2：定義初始參數；S3：展開有限元分析；S4：計算鋼筋單元靈敏度；S5；判斷最大鋼筋應力是否大于鋼筋允許應力；S6：判斷是否所有鋼筋單元都滿足應力約束；S7：判斷最大鋼筋應力是否大于0.9倍的鋼筋允許應力，是，則最高直徑鋼筋單元不再進行降級操作，再執行S8，否，則直接執行S8；S8：根據鋼筋單元靈敏度與優化準則，完成每種鋼筋之間的升降操作，并返回S3。本發明能夠在原有的鋼筋分離模式BESO的基礎上引入多種鋼筋直徑的鋼筋單元，基于應力約束來升級與降級不同的鋼筋單元。

技術領域

本發明涉及一種混凝土深梁的鋼筋直徑多層次拓撲優化設計方法。

背景技術

對于鋼筋混凝土深梁這類復雜受力構件的配筋設計，當前主流的設計方法主要有經驗設計方法和應力設計方法。

經驗設計方法以平截面假定為基礎，視深梁為一維桿件，再通過試驗數據修正承載力計算公式。Braam等學者通過大量試驗，對深受彎構件的破壞形態與機理、受剪性能、裂縫開展與撓度進行研究；Sung-Woo Shin等研究了混凝土配合比、抗壓和抗拉強度、剪跨比、鋼筋配筋率對短梁等深受彎構件受剪性能及承載力的影響。這樣得到的設計方法，盡管操作性良好，但與深梁明顯不滿足平截面假定的力學特性不符。

近些年隨著有限元技術的迅速發展，以彈性應力分布為基礎的設計方法開始得到推廣。拉壓桿模型設計方法是由Schlaieh等學者在1987年從梁的桁架模型擴展而來，其自提出以來就吸引了大量學者對其進行研究。在理論方面，Ali等基于能量法的思路引入彈性應變相容誤差來評價拉壓桿模型；Matamoros等通過假設拉桿與壓桿具有相同剛度來求解超靜定拉壓桿模型；Tuchscherer等研究了不同剪跨比深梁中適合采用的節點模型。在試驗方面，其思路為按照事先參考拉壓桿模型來完成試件承載力計算和設計，再開展相關靜力驗證試驗，試驗有針對不同的構件(如倒T形梁)的，不同材料(如高強輕骨料混凝土、碳纖維增強混凝土、型鋼混凝土等)。拉壓桿模型方法作為目前主流的彈性應力設計方法，普遍適用性較好，但并未考慮變形相容條件，滿足條件的模型不唯一，且轉化成構件配筋設計較為繁瑣。

近年來，拓撲優化為鋼筋混凝土復雜受力構件的設計提供了一條新的思路。1992年Xie等提出了其于啟發式思想的漸進結構優化(ESO)，通過逐漸刪除初始設計域中的無效和低效材料，使結構向最優拓撲演化。為了克服單向刪除可能存在誤刪的局限性，又衍生出的雙向演化結構優化(Bidirectional ESO，簡稱BESO)，即在ESO移除低效材料的基礎上，同時允許高效材料被添加到結構中。隨后，有學者在ESO的基礎上引入遺傳算法，提出了遺傳演化結構優化(GESO)和遺傳遞增演化結構優化(GAESO)。這些ESO系算法因易實現和優化效率較高，已成為當前最常用的拓撲優化方法之一。落實在設計問題上，常利用優化得到的最優拓撲指導拉壓桿模型的建立，再完成配筋設計，如Kwak等利用ESO獲取拉壓桿模型，給出了最佳荷載傳遞以指導復雜受力構件配筋設計，并進行了試驗驗證；劉霞等利用GESO獲取了大量復雜受力構件的拉壓桿模型并完成了開洞深梁的拉壓桿模型和經驗設計方法對比試驗。為了盡可能減少拉壓桿模型建立以及將其轉化成配筋設計的主觀難度，Zhang等用實體單元模擬混凝土，線單元模擬鋼筋，將鋼筋以事先確定的方式滿布設計域，然后對鋼筋進行拓撲優化，可獲得直觀的鋼筋分布拓撲方案供設計參考。

然而，此時的優化結果極其依賴預先設定的鋼筋設計域，包括其直徑和排布角度。鋼筋混凝土結構中，不同區域的受力程度往往區別非常大，依靠單一的鋼筋直徑和較少的排布角度是很難獲得最優鋼筋分布方案的，更不可能滿足工程設計的需求。因此，引入多種鋼筋直徑作為優化可選擇的目標層次，同時建立包含不同排布角度的鋼筋可行域，成為這種基于鋼筋分離模式的ESO系算法，向指導工程設計發展的必經之路。

發明內容