结构优化方法范文

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2手臂结构优化变量确定

如何在可优化变量中找到对固有频率影响最大的设计变量通常需要进行灵敏度分析。当优化参数以一很小值变化时，将此时固有频率的变化量作为该结构参数对固有频率的灵敏度。通常固有频率对结构设计参数的灵敏度可由式(4)表示式(4)的前提条件为设计变量bj的修改量必须很小。而在实际应用中，对不同设计变量改变同样数值时的难易程度并不相同，而对优化变量改变同样百分比的数值的难易程度基本一致。例如硅片传输机器人柔性关节刚度数值相对较大，而手臂质量较小，如果同样采取0.1为改变量时，刚度修改比质量修改更容易。因此，本文提出固有频率权值的概念，并以权值作为优化参数的选择依据。2.1权值概念在结构优化设计中，固有频率一般为多个优化设计变量的隐函数，可将固有频率按式(6)进行展开，其中偏导数项即为固有频率的灵敏度，而权值向量则表示所有变量对固有频率数值“贡献”的比例。优化变量的权值越大说明该变量对固有频率的影响越大。2.2优化参数确定根据上述理论，分别对硅片传输机器人手臂的优化参数进行灵敏度分析与权值分析。结构参数对一阶固有频率的灵敏度分析结果如图5所示，结构参数对一阶固有频率的权值分析结果如图6所示；结构参数对二阶固有频率的灵敏度分析结果如图7所示，结构参数对二阶固有频率的权值分析结果如图8所示。从仿真结果中可以看出：当采用灵敏度作为选择依据时，关节处的等效惯量灵敏度最高，而其余参数均较小，当采用权值作为选择依据时，手臂质量、杆长以及柔性环节刚度对固有频率影响较大，显然采取权值作为判断依据更符合实际情况。其中权值为正表示参数增大时固有频率提升，权值为负表示参数减小时固有频率提升。分析结果表明：对一阶固有频率的权值较大的变量为：腕关节集中质量、末端手臂质量、小臂与末端手长度以及同步带的刚度；对二阶固有频率的权值较大的变量为：腕关节质量、小臂质量、末端手臂质量、小臂与末端手长度以及同步带刚度。本文只重点考虑质量的优化，且腕关节集中质量主要为轴承等标准件，无法进行优化。因此，最终的优化变量确定为：小臂质量与末端手臂质量。同时注意到大臂的质量对一阶与二阶固有频率均无影响，必要时可以考虑增加大臂的质量来增加竖直方向上的刚度。

3手臂结构优化设计

根据上述分析结果，最终选取硅片传输机器人小臂质量与末端手臂的质量作为优化参数，减小质量参数有助于固有频率的提高。然而大幅度的减小手臂的质量必然造成手臂在竖直方向上的刚度降低，从而使悬臂结构在竖直方向上的静态变形增大以及在竖直方向上的振动的加剧。因此在减小手臂质量的同时，需要考虑对竖直方向上变形的影响。3.1优化方法及约束方程推导将硅片传输机器人小臂与末端臂简化为图9所示的等截面空心梁。其中H与W为空间尺寸约束条件，通常为常数；h1、h2、h3为手臂厚度变量；L为手臂长度。OYZ为截面坐标系，YC为截面弯曲中性轴。硅片传输机器人小臂与末端臂的受力均可等效为图10所示的形式。图10中p为手臂自身重力引起的均布载荷，Fe为等效力，Me为等效转矩。则手臂末端的挠度、由于硅片传输机器人手臂为串联结构，故式(8)中的等效力与等效力矩均参数均与该手臂所承载的后端的手臂的质量以及长度参数有关。因此，在进行硅片传输机器人手臂结构优化设计时需要从末端手臂开始设计，随后再设计小臂。3.2末端手臂优化设计在硅片传输机器人末端手臂设计时，末端手臂所承受的等效力与等效转矩由末端手与负载的参数决定。通常末端手与负载的参数为常数，且末端手等效载荷以及尺寸约束参数数值如表2所示。仿真结果表明：末端总变形随末端手臂上壁厚度的增加而增加，但当上壁厚度大于2mm后末端总变形基本不变；侧壁的厚度对末端总变形的影响较小，基本可以忽略；末端总变形随着末端手臂下盖厚度增加而增加，但当下盖厚度大于1mm之后，总变形增加的较为缓慢。因此，末端手臂厚度尺寸最终确定为：上壁厚度2mm、侧壁厚度1.5mm、下盖厚度1.5mm。3.3小臂结构优化设计末端手臂优化完成后，小臂的等效力与等效转矩参数即可以确定。小臂受力及约束尺寸参数数值如表3所示。仿真结果表明：末端总变形随小臂上壁厚度的增加而增加，但当上壁厚度大于2mm后末端总变形基本不变；侧壁的厚度对末端总变形的影响较小，基本可以忽略；末端总变形随着小臂下盖厚度增加而增加，但当下盖厚度大于1mm之后，总变形增加的较为缓慢。因此，小臂厚度尺寸最终确定为：上壁厚度2.5mm、侧壁厚度2mm、下盖厚度1.5mm。

4优化前后性能及参数对比

优化前后的小臂与末端手臂的三维模型如图17所示(手臂的下端盖未显示)。优化前后手臂质量以及硅片传输机器人手臂系统的固有频率数值对比关系如表4所示优化前后硅片传输机器人手臂系统由悬臂引起的竖直方向上的静变形、静应力以及竖直方向上的振动频率如图18～23所示。由表5与表6可以看出：优化前后末端手臂质量降低了50%，小臂质量降低了18.8%；一阶固有频率平均值与二阶固有频率平均值均提高了10%；竖直方向上最大静态变形量降低了52.3%；系统最大应力降低了58.3%；竖直方向上的振动频率提高了45.2%。

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中图分类号 U66 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）103-0100-02

进行船舶结构优化设计的目的就是寻求合适的结构形式和最佳的构件尺寸，既保证船体结构的强度、稳定性、频率和刚度等一般条件，又保证其具有很好的力学性能、经济性能、使用性能和工艺性能。随着计算机信息技术的发展，在计算机分析与模拟基础上建立的船舶结构的优化设计，借鉴了相关的工程学科的基本规律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的优化设计方法也取得了较大的进步；建立在人工智能原理与专家系统技术基础上的智能型结构设计方法也取得了突破性进展。

1经典优化设计的数学规划方法

结构优化设计数学规划方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他认为在进行结构设计时应当把给定条件的结构尺寸的优化设计问题转变成目标函数求极值的数学问题。这一方法很快得到了其他专家的认可。1966年，D.Kavlie与J.Moe 等首次将数学规划法应用于船舶的结构设计，翻开了船舶结构设计的新篇章。我国的船舶结构的设计方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潜艇在中剖面、框架、板架和圆柱形耐压壳等基本结构的优化设计方法。

由于船舶结构是非常复杂的板梁组合结构，在受力和使用的要求上也很高，所以在进行船舶结构的优化设计时，会涉及到许多设计变量与约束条件，工作内容很多，十分困难。船舶结构的分级优化设计法就是在这个基础上产生的，其基本思路是最优配置第一级的整个材料，优选第二级的具体结构的尺寸。每一级又可以根据具体情况划分成若干个子级。两级最后通过协调变量迭代，将整个优化问题回归到原问题。分级优化方法成功地解决了进行船舶优化设计中的剖面结构、船舶框架和板架、潜艇耐压壳体等一系列基本问题。

2 多目标的模糊优化设计法

经典优化设计的数学规划方法是在确定性条件下进行的， 也就是说目标函数与约束条件是人为的或者按某种规定提出的，是个确定的值。但是在实际上， 在船舶结构的优化设计过程、约束条件、评价指标等各方面都包含着许多的模糊因素，想要实现模糊因素优化问题， 就必须依赖于模糊数学来实现多目标的优化设计。模糊优化设计问题的主要形式是：

式中j 和j分别是第j性能或者几何尺寸约束里的上下限。

模糊优化设计方法大大的增加了设计者在选择优化方案时的可能性， 让设计者对设计方案的形态有了更深入的了解。目前，模糊优化设计法发展很快， 但是，还未实现完全实用化。多目标的模糊优化设计法的难点主要在于如何针对具体设计对象， 正确描述目标函数的满意度与约束函数满足度隶属函数的问题。

3 基于可靠性的优化设计方法

概率论与数理统计方法首先在40 年代后期由原苏联引入到结构设计中， 产生了安全度理论。这种理论以材料匀质系数、超载系数、工作条件系数来分析考虑材料、载荷及环境等随机性因素。早在50年代，人们就在船舶结构的优化设计中指出了可靠性概念，随后，船舶设计的可靠性受到人们的重视，开始研究可靠性设计方法在船舶结构建造中的应用。

船舶结构可靠性的理论和方法根据设计目标的不同要求， 可以得出不同的结构可靠性的优化设计准则。大体分为以下3种：

1）根据结构的可靠性R·，要求结构的重量W最轻，即：

MinW（X），s.t.R ≧R·

2）根据结构的最大承重量W·， 要求结构的可靠性最大或者破损概率最小，即：

Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·

3）兼顾结构重量和可靠性或破损概率， 实现某种组合的满意度达到最大，即：

Max[a1uw（X）+a2upf（X）]

式中， a1，a2分别代表结构重量和破损概率的重要度程度， 而且满足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分别为代表相应的满意度。

关于船舶结构的可靠性优化设计方法的研究越来越多， 逐渐成为船舶的结构优化设计中的重要方向。但是，可靠性的优化设计方法除了在大规模的随机性非线性规划求解中存在困难外， 还有一个重要的难点在于评估船舶结构可靠性的过程很复杂， 而且计算量大。

4 智能型的优化设计方法

随着人工智能技术（Al）和计算机信息技术的发展， 给船舶结构的优化设计提供了一个新的途径，也就是智能型优化设计法。

智能型的优化设计法的基本做法为：搜索优秀的相关产品资料，通过整理，概括成典型模式，再进行关联分析、类比分析和敏度分析寻找设计对象和样本模式间的相似度、差异性与设计变量敏度等，按某种准则实施的样本模式进行变换， 进而产生若干符合设计要求的新模式， 经过综合评估与经典优化方法的调参和优选， 最终取得最优方案。

智能型的优化设计法法的优点是创造性较强，缺点是可靠性较弱。所以在分析计算其产生的各种性能指标时，应当进行多目标的模糊评估， 必要时还应当使用经典优化方法对某些参数进行调整。

5 结论

通过本文对船舶结构优化设计方法的研究，我们得出在进行船舶结构优化设计的时候， 往往会涉及到很多相互制约和互相影响的因素， 这就需要设计人员权衡利弊， 进行综合考察， 不但要进行结构参数与结构型式的优选，而且还要针对具体情况对做出的方案进行评估、优选和排序。通过什么准则对不同的方案进行综合评估，得出最优方案， 成为专家和设计人员需要继续研究的问题。

参考文献

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引言

目前，随着社会经济水平的不断提高，土地价格也在不断上涨。同时，人民对住房条件的需求也在不断上升，因此，对开发商带来的压力也在不断加大。为了实现房屋建筑经济效益的最大化，就需要采用结构优化技术，在有限的空间内实现资源的最大利用。房屋结构优化设计是指，采取科学合理的设计理念和技术方法来设计房屋结构，以最小的工程报价来最大化整体的建筑收益，提高房屋的质量水平，使得企业也获得较高的利润等。

一、我国目前房屋结构设计现状以及实施优化设计的原因

随着我国经济的飞速发展，人民生活水平的不断提高，对住房建设要求也越来越高。同时，根据我国目前的基本国情，人口数量日益增长，住房面积需求量不断加大。因此，我国现阶段住房建设主要以高层为主。房屋的结构设计优化不仅能够满足当今大众的需求，更能为投资者减少建筑成本。

房屋建设结构优化必须以建筑的安全性为首要原则，然后再进一步分析建筑方案，配合科学合理的设计理念，从而有效控制建筑工程造价，实现经济效益的最大化。根据近些年的数据资料显示，优化建筑结构设计可以为整项建筑工程节省30%-50%的费用。但是，在实际的设计过程中，方案设计受自然因素的影响很大，很难发挥出其本身的优越性。例如，工程设计阶段，施工方过多的缩短建筑设计时间，从而使设计效果达不到理想的要求，在缩短工程工期的同时也降低了工程设计质量；建筑设计时，设计人员的经验不足，专业知识不完备，对一些设计软件掌握的不够精通；一些设计者在设计建筑时过度的关注部分结构而忽视了整体方案等等，这些因素都会导致建筑结构设计的不够优化。因此，房屋建筑设计者必须科学合理的分析整体建筑方案，并设计出最优的结构，才能实现经济利益的最大化。

二、房屋结构设计优化主要体现在哪些方面

房屋结构设计优化主要是采取合适的方法以及科学的设计理念来最大化的达到房屋设计标准，如：房屋结构的合理布局、构件大小、结构框架等。钢筋混凝土结构的优化设计的基本理念是将建筑的具体部件以及整体布局进行分析，而顶柱、体形、层高以及拉力构件等等都会影响建筑物的整体布局。建筑构件的布局、强度等级以及配筋构造都是建筑物具体构件的体现。综合以上因素，建筑方案结构需要专业知识丰富且熟知设计规范的工程技术人员设计，而且在设计时必须充分考虑各构件直接的受力特性，从而选取最优的设计方案。

三、房屋结构优化设计技术

（一）优化技术的基本原则

在工程设计优化过程中，必须以工程设计和工程价值为基本原则。优化结构设计的最终目标是充分利用建筑材料，实现建筑构件利用的最大化。优化结构设计不仅遵守建筑设计规范，更实现了当今建筑的审美学和价值学。通过深化改善房屋结构设计，从而实现建筑功能更加协调完善，降低建筑成本，提高经济效益。

房屋结构的优化必须从实际工程施工出发，结合房屋结构的具体情况，实现房屋建筑的结构的最优化设计。在进行结构优化时，必须依据设计意图，采用平面设计布局，降低构件质量和刚度之间的差异，减小水平负载造成的房屋扭曲，在竖直方向上采用转换层技术，有效地降低构件的集中用力。

（二）优化设计的基本的要点

1.依据设计规范

工程师在设计建筑结构时必须具备丰富的建筑设计经验以及熟知设计规范。即依据科学的设计理念，将自身的优化方案融于整个工程项目设计中去。建筑结构设计规范更多是对于工程较大的项目，因而会造成某些规定过于保守。另外，在工程设计比较特殊或复杂时，依据某些规定将会造成建筑物的不安全。因此，这就要求设计师在建筑设计过程中必须具备良好的专业素质以及清醒的思路、正确的判断力，争取将建筑结构设计做到最优。

优化房屋结构设计过程中，应注重建筑构件的细节优化，如：建筑构件的受力钢筋，在满足塑性的条件下尽可能的选择性价比较高的产品，从而实现房屋结构的经济、安全。

2.结构师主动参与建筑设计

在工程施工前期以及施工过程中，建筑结构师的主动参与对整个房屋结构优化起到关键性作用。在实际的工程施工过程中，建筑设计师往往不能够对整个结构体系进行很好的受力分析，即建筑结构师的设计理念以及其自身具备的经验不能完全代替设计师的设计思想，同时，建筑与结构上专业知识的隔阂也无法弥补。建筑结构设计师其丰富的工程设计经验以及专业设计理论，积极主动的为设计师出谋划策，只有两者的顺利合作才能设计出更加优秀的方案。

目前，我国的房屋建筑设计总是先从建筑的结构布局开始，根据结构承载负荷的不同分析所需的材料、参数等，往往这种分析方法是计算机所不能计算出的，它需要建筑结构设计师充分论证整个建筑设计方案之后做出的判断。而这些判断需依据实际工程实践经验以及结构设计所遵循的一般规律进行。

3.加强设计团队之间的合作

优化房屋结构是一项整体而系统的工作，它需要团队之间的协调合作。现代建筑主要由结构、设备、建筑三大要素组成。因此，在工程施工过程中要明细团队内部分工，并做好团队合作，只有这样才能有机的结合各个构件创造出更加完美的作品。在建筑工程设计阶段，房屋的结构设计和建筑设计是不可分割的，只有协调好两者之间的关系，才能设计出更加美观大方的建筑方案，同时，又降低了建筑成本，简化施工过程，达到既美观又实用的建筑效果。通常建筑设计师在设计建筑时，只是一味的要求设计方案的新奇，而忽略了建筑学中基本的力学关系，这样设计出的方案往往在结构设计上造成困难。因此，团队之间的协调合作是房屋结构优化的重要保障。

4.优化房屋建筑结构，解决房屋抗震问题

房屋结构的优化不仅仅能降低建筑成本、增加建筑美观、简化施工过程，更能加强房屋的抗震作用。通过房屋结构优化技术，可以增加房屋抵抗外部作用的破坏，有效地降低房屋破坏程度。因此，在房屋结构优化设计过程中，抵抗外界各种不良因素的影响成为结构优化设计工作的主要内容。在日常的外界不良因素中，地震是最难以预测且对房屋建筑物破坏最强的，所以在房屋计算及构造上必须加强抗震措施。如：房屋构件刚度的对称性以及均匀性都可以有效的缓解地震对建筑物的破坏；多道防设设计理念可以有效缓冲特大地震对房屋主构件的破坏。以上这些设计思想都是房屋结构设计的重要内容。

四、总结

工程造价对整个工程项目的经济效益起着关键性作用，因此优化房屋结构设计，不仅可以降低整个工程的造价成本，更能提升整体房屋的安全级别。结构设计与建筑设计的协调配合，充分发挥其自身的优势，设计出最优的房屋结构。在平面设计过程中，应遵循对称、均匀的原则，缩小房屋构建质量与刚度之间的差异。在竖直布置上，保证上下承重件负载的上下贯通。建筑是艺术的表现，在保证房屋安全的前提下，结构师应敢于创新，将房屋的实用性与艺术性完美的结合在一起。

参考文献：

[1]侯贯泽，刘树堂.工程结构优化设计理论与方法[J].钢结构，2009，2（8）：148-150.

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中图分类号：TU318 文献标识码：A

对于一个项目，工程结构总体的优化设计主要是针对围护结构、屋盖系统、结构体系、基础形式以及结构细部等进行相应的设计方案的优化设计。在设计的时候还必须考虑到相应的布置、选型、造价以及受力等方面的问题，然后根据工程的实际情况并结合建筑物的经济性要求，对建筑结构进行相应的优化设计。 为了适应时展的要求，建筑的结构形式必须不断的进行创新。对于结构设计师来说，要在确保建筑结构具有一定的安全保证的基础上设计更合理、更经济、更能体现创新的结构形式。

1 结构设计优化技术的现实意义

对建筑结构的设计进行必要的优化，在对于房屋结构相关的设计中的应用意义重大，不仅能够满足了建筑的实用与美观，而且还可以有效地对工程造价进行控制。对于建筑商来说，其当然希望用最少的投资，而获得最大的收益，然而又必须对建筑结构的科学性、可靠性以及安全性做出保证，这必然要求对建筑结构进行优化设计。

结构设计优化和传统房屋结构设计进行比较我们可以发现：运用设计优化的技术能够降低整个建筑工程造价10%～40％。结构设计优化技术能够使得建筑结构内部的每个单元都得到最佳的协调，并可以对材料的性能进行最合理的利用。这样不仅能够保证相关规定的安全系数，还能够实现建筑结构设计的经济性与实用性。

2 结构设计优化技术在建筑结构设计中的步骤

2.1 建立结构优化的模型

在我们对房屋结构整体进行必要的优化设计时候，可以分成三步进行建筑结构的优化设计。下面将对每一步骤进行详细的介绍：

2.1.1 要对设计变量进行合理的选择

通常在对设计变量进行选择时，我们把对建筑结构影响的主要参数作为设计变量。如目标控制的相关参数（损失的期望C2 和结构的造价C1）和约束控制相关参数（结构的可靠度PS）等；然而还有一些影响不是太大，其变化范围也不是很大或者由局部性以及结构的相关要求就能够满足相应的设计要求的一些参数，我们可以用预定参数来表示，这样能够使得我们的设计量、计算量以及编制程序的工作量均大大减小。

2.1.2 对目标函数进行确定

在进行结构设计优化的时候，我们还必须寻找一组能够满足相关的预定条件的截面相应的几何尺寸、钢筋面积以及相应的失效概率的函数，使得工程造价最少。 针对目标函数进行的优化设计都有条件和相对的，即为“最满意解”而不是最优解。

2.1.3 对约束条件进行确定

对于房屋的结构的设计优化来说，必须在确保结构整体可靠的基础上，对优化设计相关的约束条件进行相应的确定，设计优化的约束条件主要包括裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、构件单元约束、应力约束、结构体系约束、从可靠指标约束到确定性约束条件以及从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束等约束条件。在进行结构设计的时候，我们必须对目标约束条件与实际的约束条件进行相应的比较与分析，确保每个约束条件都必须满足相应的要求，化繁为简，抓大放小，以实现最佳的设计。

2.2 对优化设计的计算方案进行设定

根据可靠度进行的房屋结构的优化设计具有多约束且非线性的优化问题以及复杂的多变量，在进行相应的分析计算中，一般把有约束的优化问题转换成无约束优化问题的求解。常用的优化设计的计算方法有拉格朗日乘子法、复合形法、准则法以及Powell（鲍威尔） 法等基于不同理论准侧的计算方法。

2.3 进行程序的相关设计

针对具体的工程设计，我们可以根据不同的设计要求选择有限元分析软件或者设计配筋软件，可以选择针对具体构件进行有限元分析或者是针对整体结构实际工程计算分析。针对复杂的超高超限的工程可以进行专门的不同目标函数的优化设计，具体可选用结构优化设计系统MCADS。

2.3 结果分析

我们必须对相应的计算结果进行必要的分析比较，选择出最佳的设计方案。在这个过程中，我们对出现的问题必须全方位、多角度的考虑。例如，钢结构满应力设计中病态杆的出现等。这一步骤在建筑结构设计优化中尤其重要，合理的选择设计方案，不仅能够确保结构的美观、安全性、合理性以及实用性，还能够对施工中的资金的投入有着重大的影响。在结构设计优化中只强调经济性要求，而忽略技术要求，是不正确的；同样只考虑技术要求，忽略经济性要求，也是不合理的。我们必须在满足现行规范的前提下，区分“应”和“宜”，对两者进行合理的配置，才能达到相关要求。

3 结构设计优化技术的实践应用

当下，限额设计已经成为常态，建设商经常附加各种各样的设计条件，对于这样的项目我们可以从前期设计、整体设计、旧房改造以及抗震设计等方面采用结构设计优化设计的方法来节约造价。下面对实践应用中的问题进行简单的说明：

3.1 结构设计优化应注意前期参与

前期方案直接会影响到工程的造价，然而很多建筑物的设计往往忽略了这一点。项目立项后，结构师应该及时跟进，对建筑方案提出合理的指导意见，避免出现超限、超规范的情况，前期参与能够让我选择合理的结构形式以及合理的设计方案，节约造价占50%以上。

3.2 概念设计结合细部结构设计优化

在没有具体数值量化的情况下，我们可以使用概念设计。例如，对地震的烈度进行设防时，由于它存在这不确定的因素，所以我们无法找到与实际相符合的计算式，所以在进行设计优化的时候我们可以使用概念设计的方法，把相应的数值作为参考与辅助相关的依据。同时在设计过程中，相关结构设计人员必须合理并灵活的使用结构设计优化的方法，从而达到最佳的效果。

在设计过程中必须对细部的结构进行相应的设计优化，物尽其材。例如，竖向柱构件采用高强度混凝土能够有效减少柱子截面，而对于水平构件来说就可以降低混凝土标号，这样既可以达到受力要求，又可以节约成本。后期的优化设计和细部结构精细化设计能节约一定的经济成本。此阶段通过优化设计能节约造价10%以上。

3.3 下部地基基础结构的设计优化

基础的设计尤为重要，基础造价能占到结构成本的30%左右，在地基基础的结构设计优化中，我们必须选取合适的基础方案，确定合理的持力层，尽量选择天然地基，桩基能不用则不用，可以有效降低成本、节约工期。如果不可避免的采用桩基，需根据桩端持力层的厚度选择合理的桩长，并根据土层情况确定是否采用后压浆灌注桩；而对于管桩，同样直径可以考虑选用方桩，能够提高20%的摩擦力。通过对多种设计方案进行必要的分析比较，然后选取最佳的设计方案。

4 结语

对于住宅建筑，目前限额设计已经成为常态，传统的结构设计理论与方法已经无法满足建设商的要求，在目前的设计中采用优化设计已经成为无法回避的问题。通过选择合理的结构体系以及基础方案，充分利用材料强度，降低自重，活学活用规范做到精细化设计能够节约可观的工程造价，适应建设绿色可持续发展社会的要求。

参考文献

[1]张炳华.土建结构优化设计[M].上海：同济大学出版社，2008：34-36.

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中图分类号：TU398.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）01-0136-01

型钢混凝土结构主要由以下两个方面组成：①型钢混凝土柱；②型钢混凝土梁。型钢混凝土具有承载力高以及弹塑性好等特点，目前来看，型钢混凝土在工程应用方面有很大的发展前景。型钢混凝土结构中的单调加载条件与循环加载条件下的受力性能研究有较大的应用前景，在循环荷载作用下呈现出较好的性能。从型钢混凝土结构应力发展裂缝情况不难看出，型钢混凝土结构在水平荷载作用下被分为以下三个阶段：①塑性破坏阶段；②弹性阶段；③弹塑性阶段。国内外的相关实验研究结果表明，型钢混凝土结构在低周反复荷载作用下具有良好的耗能能力，尤其是在型钢混凝土结构的延性以及刚度方面。

1 型钢混凝土组合结构的基本特点

型钢混凝土组合结构主要指的是把型钢埋入到混凝土中的结构形式，在操作过程中主要先通过定位放线最后再进行混凝土浇筑，被分为以下两种类型：①部分结构构件采用型钢混凝土结构形式；②全部结构构件采用型钢混凝土结构形式。上述两种结构类型都适用于以下四种结构：①框架结构；②底部大空间剪力墙结构；③筒中筒结构；④框架-剪力墙结构。与传统的型钢结构相比，具有以下三个方面的优点：①能够更为节约钢材；②具有良好的耐久性以及耐火性；③受力性能良好。与钢筋混凝土结构相比，型钢混个凝土组合结构具有以下三个方面的优点：①施工周期较短；②抗震性能较好；③承载力较高。型钢混个凝土组合结构具备以下两种结构类型的特点：①型钢结构类型；②钢筋混凝土结构类型。为了让人们能够更加清楚了解型钢混个凝土组合结构结构，笔者将针对型钢混个凝土组合结构的混凝土和型钢的计算和优化方法进行研究。举例来说，型钢混个凝土组合结构中的型钢与混凝土之间相互约束，在一定程度上提高了混凝土的强度和型钢的强度，有效增加了整体构件的延性、构件抗震性能以及改善混凝土本身不利于抗震的脆弱性。众所周知，智利是地震多发国家，智利国家尤其重视型钢混个凝土组合结构的性能研究和基础工程应用。例如，1973年建成的圣地亚哥，其所用结构为型钢混凝土组合结构，在地震中基本没有受到很大损毁，继而引起了日本建筑工程行业的重视。

2 型钢混个凝土组合结构优化设计的基本方法

型钢混个凝土组合结构在优化设计中基本以变量结构的参数形式出现，在根据相关要求的基础上，形成型钢混个凝土组合结构方案。简而言之，型钢混个凝土组合结构优化设计主要利用数学手段，并且按照设计者所规定的要求从中选出一个最为理想的方案。型钢混个凝土组合结构优化设计主要表现如下：①以有限单元法为基础的分析方法；②以数学规划为计算手段；③以现代高速计算机为工具；④最终得出设计方案。随着现代科学技术的发展，优化设计的过程具备灵活性等特点，再通过有限次的计算能够使得结构设计方案逐渐改善。笔者将根据相关工作经验，针对型钢混凝土组合结构优化问题算法来进行简单介绍：①简单解法；②数学规划法；③准则法。

（1）简单解法。当设计变量处于不多的情况下，可以采用简单解法。一般来说，图解法对设计变量小于或者等于2h，效果达到最为理想。对于柱与板的优化设计问题需要采用松弛变量法，此种方法对求解约束条件要求不是很高。

（2）数学规划法。数学规划法（Mathematical Programming，MP）从结构力学的基本原理角度出发，选用MP来寻找设计参数的最优解。此种解答方法发展比较早，用途也较为广泛。数学规划法中主要包含以下几个方面的解法：①线性规划；②非线性规划；③动态规划；④几何规划。其中线性规划问题的解决方法较为成熟，在处理目标函数方面能够设计变量的线性函数问题。非线性规划则主要应用目标函数的方法，结构的优化设计有约束的非线性规划问题，在解答过程中有较大难度。例如，目前最常使用的导数分析方法以及梯度投影法等。

（3）准则法。准则法主要从工程方面的观点出发，从预先规定的结构来满足相关准则（能量准则、位移准则、频率准则以及应力准则等），为了满足上述准则条件应该使用结构最轻的材料。使用的相关方法为：利用最为优化的杆系结构，重新分析设计变量初始，一旦计算量不够大时，需要使用已经设定好的几个布局。准则法有其自身的缺陷，从工程应用方面来看，型钢混个凝土组合结构结构比较方便，能够更容易被人接受。在早期，准则法能够满足应力设计，将结构杆件的应力在某种情况下达到允许的范围力之内，充分发挥出材料强度的潜力。上述所说的方法在发展的基础上与框架结构的应力设计两者相互结合，从而处理弹性稳定方面以及位移方面等约束条件。

3 型钢混个凝土组合结构优化设计的基本原理

型钢混个凝土组合结构由柱构件与规则截面的杆系梁组成，在设计过程中均采用部分优化的方法。在满足相关建筑要求的情况下进行结构的平立面布置（抗震功能首先考虑原则基础上），进一步确定好梁的跨度与柱的高度。基于此，按照经济跨高比和框架梁进行初步选型，最终得出型钢混个凝土组合结构的初始截面。在上述初始方案基础上，采用有限单元法分析不同荷载情况下的受体力分析，最后得到剪力、轴力的组合值，再计算出常规设计所需要的参数值。例如，柱的计算长度以及梁的剪跨比等指标。将型钢混个凝土组合结构离散柱构件与杆系梁根据已经得到的受力条件来优化设计柱与梁，再得到工程的总造价。利用变量方法来进行二次处理，直到前后2次的设计方案能够接近并且最终得到优化设计方案。简而言之，确定好方案1之后再进行结构整体分析，通过分部方案1优化得到方案2，在进行分部优化设计时，需要注意以下几个方面：①利用结构分析得到剪力值、轴力值，继而能够优化截面；②对于超静定结构，初始截面的选择相对于构件内力所需要的截面来说不够充分，优化后构件的截面将会有效增大，重新分析构件内力时将会取得更大的效果。对于超静定结构优化过程，其构件内力始终和截面保持不一致，此种差距不会随着结构重分析次数的增加而减少，在优化构件设计时，对结构的内力应该引M超松弛系数，S′=S（S/R）α，其中S′代表构件内力，S为前一次结构重分析得到的构件内力，R为优化前构件抗力；α代表超松弛系数，α=0.4。

型钢混凝土框架梁的截面宽度不宜小于300mm，截面的高度和宽度的比值不宜大于4，为了进一步保证框架梁对框架节点的约束作用，便于施工过程中能够充分考虑到截面高度比值、宽度比值等，型钢混凝土框架梁在支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处，应在型钢腹板两侧对称设置支承加劲肋。

4 结束语

综上所述，型钢混个凝土组合结构作为一种工程方法，型钢混个凝土组合结构连续变量所得到的结果不能够直接被应用，在初步优化设计方法基础上，收敛的速度也能够接近优化解，当变量较多时此种途径能够带来较宽的时间效益。

参考文献：