高层建筑中转换梁结构的抗震优化设计

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3.0 韩鲁英 2024-09-24 8 4 207KB 4 页 150积分

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高层建筑中转换梁结构的抗震优化设计

摘要：本文以一幢带有梁式转换层的高层建筑结构为研究对象，根据其建筑特点建立了转换层拓扑优化与梁、柱尺寸优化

相结合的一体化抗震优化模型。首先，采用基于 SIMP 理论的拓扑优化方法对转换层结构进行拓扑优化设计，并根据得到的

最优拓扑构造出新的转换层结构形式。将新形式的转换层应用到建筑结构中，在有限元分析软件 ANSYS 环境下对新构造的结

构进行模态分析、振型分解反应谱分析等整体动力分析，检验其安全可靠性能，进而选出最优方案。

关键词：高层建筑；转换层；拓扑优化；抗震设计

中图分类号：文献标识码：文章编号：

Seismic Optimum Design for High-rise Building with Girder Transfer Floor

Abstract: Taking a high-rise building with girder transfer floor as an example, this paper set up an integrated optimization model

including topology optimum design of the transfer floor and size optimum design of beams and columns. First, optimizes the transfer

floor using the SIMP topology optimization theory, then constructs new transfer forms according to the optimum topology. Then

ANSYS, a finite-element analysis program, is employed to conduct dynamical analysis, including modal analysis, response spectrum

analysis and so on. By doing this, the best design scheme is selected.

Keyword: high-rise building； transfer floor； topology optimization； seismic design

在高层建筑中梁式转换层的使用会带来很多

问题，例如结构安全性能下降，材料用量增加，

空间无法充分利用等。造成这些问题要是因为转换

大梁自重大、刚度大，破坏了建筑结构沿竖向方向

的均匀性，从而引起了应力集中和变形集中[1-2]。

因此，从研究转换梁自身结构入手，通过对转换

大梁进行拓扑优化改变转换层结构形式，提高其

抗震等级，从而改善转换层以及整个高层建筑的

性能具有重要的意义。

1.拓扑优化设计的理论方法研究

拓扑优化设计的思想，就是在给定材料品质

和设计域内，通过优化设计方法可得到满足约束

条件又使目标函数最优的结构布局形式及构件尺

寸。拓扑设计的初始约束条件更少，设计者只需要

提出设计域而不需要知道具体的结构拓扑形态，

设计自由度更大[3]。

1.1 基于 SIMP 方法的拓扑优化的数学模型

SIMP 简称密度惩罚法，是在相对密度法的基

础上提出来的。优化过程中以单元设计变量的大小

决定单元取舍，即带有惩罚因子的相对密度法，

比纯粹的相对密度法在消除棋盘格现象和数值稳

定性方面有了很大的提高。目前，SIMP 在理论和工

程研究中应用前景最为广泛。

SIMP 方法引入一种假想的相对密度在 0-1 之

间可变的材料，假设设计材料的宏观弹性常量与

其密度的非线性关系，采用惩罚因子约束抑制介

于0-1 之间的单元。在一定的材料用量的条件下，

寻找具有某种度量的最大刚度(结构的最小柔顺

性)的结构材料最佳分布形式。

1.2 基于 SIMP 方法的拓扑优化流程

将基于 SIMP 方法的拓扑优化方法结合实际问

题，可以构造出结构拓扑优化具体的数学模型如

式 1 所示:

式（1）

式中:

为设计变量，本文中取单元的相对密度；

为单元设计变量(为

设计变量的数目)；

，为单元设计变量上下限，在本

文中分别取1和0.001；

为结构的柔顺度，是目标函数；

为载荷矩阵，为位移矩阵，为整体

刚度矩阵；

为在设计变量状态下的结构有效体积

为在设计变量取 1 状态下的结构有效体积；

为材料用量的百分比(体积系数，本文中取 0.3

)；

和分别为单元位移矩阵和单元刚度阵；

为惩罚因子(本文中取为 3)。

优化过程主要包括两个部分，分析模块和优

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摘要：

高层建筑中转换梁结构的抗震优化设计摘要：本文以一幢带有梁式转换层的高层建筑结构为研究对象，根据其建筑特点建立了转换层拓扑优化与梁、柱尺寸优化相结合的一体化抗震优化模型。首先，采用基于SIMP理论的拓扑优化方法对转换层结构进行拓扑优化设计，并根据得到的最优拓扑构造出新的转换层结构形式。将新形式的转换层应用到建筑结构中，在有限元分析软件ANSYS环境下对新构造的结构进行模态分析、振型分解反应谱分析等整体动力分析，检验其安全可靠性能，进而选出最优方案。关键词：高层建筑；转换层；拓扑优化；抗震设计中图分类号：文献标识码：文章编号：SeismicOptimumDesignforHigh-riseBuil...

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