多高層建筑上部結(jié)構(gòu)和樁筏基礎(chǔ)優(yōu)化方法研究.pdf

1、多高層建筑的大量建設(shè)使得結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計一直以來都是結(jié)構(gòu)領(lǐng)域力求探索的研究課題之一。盡管結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論的研究歷史悠久，并有了相當(dāng)多的優(yōu)化實(shí)踐，但一般只是針對小型結(jié)構(gòu)而建立。相對而言，針對大型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化算法與程序還比較匱乏。這一方面是受到以前計算速度條件的制約，另一方面大型結(jié)構(gòu)約束復(fù)雜，荷載組合種類繁多，截面與構(gòu)件形式豐富，要建立一個全面而實(shí)用的算法涉及面非常廣。同時，樁筏基礎(chǔ)以其承重大、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，隨著建筑物日益向高、重、大方向發(fā)展，被愈

2、來愈多地采用。但傳統(tǒng)的“滿堂布樁”、“等承載力布樁”的布樁方式使得樁越來越長、基礎(chǔ)底板厚度越來越大，基礎(chǔ)造價節(jié)節(jié)攀升。基于以上背景，本文針對多高層建筑的上部結(jié)構(gòu)和樁筏基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計，主要進(jìn)行了以下幾方面工作。 ⑴采用上部結(jié)構(gòu)-筏板-樁土體系共同作用理論，運(yùn)用子結(jié)構(gòu)法將上部結(jié)構(gòu)的剛度和荷載凝聚到基礎(chǔ)邊界處，將群樁和地基簡化支撐在筏板各節(jié)點(diǎn)處的彈簧系統(tǒng)，根據(jù)靜力平衡條件、豎向位移連續(xù)條件和節(jié)點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系，建立多高層建筑與地基基礎(chǔ)共同作

3、用分析的基本方程，通過求解方程和回代，計算各部分的內(nèi)力和變形，以此作為上部結(jié)構(gòu)和樁筏基礎(chǔ)優(yōu)化分析的理論基礎(chǔ)。 ⑵針對多高層建筑截面形式豐富，約束條件復(fù)雜的情況，將結(jié)構(gòu)約束條件分為局部約束和整體約束兩大類，提出兩級優(yōu)化策略，即在滿足第一級約束條件的最優(yōu)解的基礎(chǔ)上，進(jìn)行第二級約束條件驗(yàn)算，若不滿足則根據(jù)相應(yīng)的優(yōu)化準(zhǔn)則進(jìn)行調(diào)整。 ⑶建立了多高層建筑結(jié)構(gòu)的截面優(yōu)化模型，在盡可能減少優(yōu)化變量又保證與約束對應(yīng)的前提下，將優(yōu)化變量全部

4、歸結(jié)為截面的高和寬，并分別根據(jù)鋼筋混凝土構(gòu)件和鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的特點(diǎn)，將目標(biāo)函數(shù)、局部約束條件和整體約束條件作了大量工程化的處理。 ⑷針對鋼筋混凝土梁柱和鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件約束的不同特點(diǎn)，在處理局部約束條件時采用不同的算法進(jìn)行優(yōu)化搜索。對混凝土梁柱，將0.618一維搜索法改造為適合梁柱截面高寬同時變化的二維搜索；對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，基于擬滿應(yīng)力法和遺傳算法，采用擬滿應(yīng)力遺傳算法，并對擬滿應(yīng)力法進(jìn)行離散性和收斂方式的改造；針對整體約束條件，采用虛功準(zhǔn)

5、則法，將Lagrange乘子法與其結(jié)合；結(jié)合以上三個方面編制優(yōu)化模塊，通過不同結(jié)構(gòu)形式的算例系統(tǒng)地驗(yàn)證了優(yōu)化模型和優(yōu)化算法的可行性，并對結(jié)果進(jìn)行分析比較。 ⑸建立了以樁筏基礎(chǔ)總造價和基礎(chǔ)差異沉降雙控的多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化模型，通過權(quán)重系數(shù)自行調(diào)整優(yōu)化的重點(diǎn)；運(yùn)用在選擇優(yōu)化變量時，由于本文的主要目標(biāo)是在差異沉降最小的同時達(dá)到造價最低，為簡化優(yōu)化計算量，將對目標(biāo)函數(shù)影響最大的樁坐標(biāo)和樁數(shù)作為變量進(jìn)行處理，滿足強(qiáng)度要求、變形要求和構(gòu)造要求三

6、類約束條件；提出運(yùn)用筏板變形后位移梯度的范數(shù)平方的積分和作為差異沉降部分的目標(biāo)函數(shù)，既評價了基礎(chǔ)的差異沉降量，又能與樁坐標(biāo)相關(guān)，為優(yōu)化過程帶來方便。采用序列二次規(guī)劃法對差異沉降部分的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行處理，采用修正后的牛頓迭代下降法和0.618黃金分割一維搜索法進(jìn)行布樁和樁數(shù)的綜合優(yōu)化。 ⑹運(yùn)用算例驗(yàn)證優(yōu)化模型和算法的可行性，并通過將總造價的權(quán)重系數(shù)設(shè)為0，將多目標(biāo)函數(shù)變?yōu)閱我豢刂撇町惓两档哪繕?biāo)函數(shù)，著重于分析本優(yōu)化程序所實(shí)現(xiàn)的布樁形