专利名称：一种基于两层面承载安全性的工程结构设计与优化方法
技术领域：
本发明涉及工程结构的设计与优化方法，更具体地，涉及基于承载安全性的工程结构设计与优化方法，该方法通过弹性模量缩减法，从结构构件和整体两层面承载安全性来进行工程结构的设计与优化。
背景技术：
承载安全性是指工程结构在外部作用下防止破坏倒塌的能力，是工程结构最重要的性能指标。现行的工程结构承载安全性设计方法，通常根据设计荷载下工程结构的弹性内力分析结果，按照最不利内力组合进行构件控制截面设计，以保证结构构件具有足够的承载力和合理的强度分布，且结构整体处于弹性变形。对于重要结构，通常根据罕遇作用下结构弹塑性分析结果验算结构的整体稳定性，以此保证结构整体不发生倒塌或严重破坏，且在极限荷载下按照预定方式发生失效。然而，当荷载超越设计值、甚至达到罕遇荷载时，实际工程结构因塑性变形将连续发生内力重分布，构件的承载状态将随之发生显著变化。
因而，现行的工程结构设计方法采用设计荷载和弹性分析方法难以保证工程结构在罕遇荷载乃至极限荷载下整体层面的承载安全性。而且，按照罕遇荷载和弹塑性分析的结果，也难以保证工程结构在正常运营时保持合理的承载性能和经济性。
此外，当前的结构优化技术建立于数学规划法基础上，难以与常规的结构设计方法相融合。同时，工程技术人员在实际设计中主要根据设计荷载作用下结构的内力分布和构件的承载状态来调整构件的截面强度，未充分考虑构件承载状态在结构失效演化过程中因内力重分布而发生的改变，所以难以开展高效、可靠的结构优化设计。
另一方面，弹性模量缩减法(计算方法参见论文:(I)杨绿峰，余波，张伟.弹性模量缩减法分析杆系和板壳结构的极限承载力[J].工程力学，2009，26(12):64-70;(2)Yang LuFeng, Zhang Wei, Yu Bo and Liu Li Wen.Safety evaluation of branch pipe inhydropower station using elasticmodulus reduction method[J].Journal of PressureVessel Technology, 2012, 134(4): 1-7.)是近年来发展起来的分析结构极限承载力和整体安全性的方法，能够通过线弹性有限元迭代计算，分析工程结构在罕遇荷载乃至极限荷载下的承载性能和整体安全性。由于该方法的首步、末步迭代结果分别反映了工程结构在设计荷载下的弹性内力和极限荷载下的弹塑性内力分布，所以可据此开展工程结构的构件设计，并根据构件安全系数与整体安全系数之间的关系，保证结构在构件和整体两个层面的承载安全性，而且通过调整目标构件的截面强度，可以进一步优化结构的承载状态，降低工程造价。
鉴于上述考虑，本发明将在弹性模量缩减法的基础上，提出基于结构构件和整体两层面承载安全性的工程结构设计与优化方法，以克服现行方法的不足。发明内容
本发明的目的是提供一种基于结构构件和整体两层面承载安全性的工程结构设计与优化方法，以获得承载性能和材料消耗均较优的结构设计方案。
本发明提供一种基于两层面承载安全性的工程结构设计与优化方法，包括:步骤1，根据工程结构初始设计方案或调整后设计方案的几何尺寸、材料参数、荷载状况和约束条件，确定结构计算模型；步骤2，根据上述结构计算模型，识别高承载和低承载构件；步骤3，计算构件和整体安全系数；步骤4，根据构件和整体安全系数，判断结构两层面承载安全性，并且调整结构设计方案。
本发明首次提供一种基于两层面承载安全性的结构设计与优化方法，能够通过线弹性迭代计算，分析结构构件和整体两个层面的承载安全性，保证结构具有合理的安全储备并且通过识别目标构件并合理调整其截面强度，优化结构的强度分布和承载状态，降低工程造价，获得承载性能和材料消耗均较优的结构设计方案。
图1表示输电塔计算模型示意图2表示输电塔典型单元承载比和基准承载比的迭代过程示意图3表示钢桁架梁桥计算模型示意图4表示钢桁架梁桥典型单元承载比和基准承载比的迭代过程示意图5表示正方四角锥网架计算模型示意图6表示正方四角锥网架的单元编号示意图7表示正方四角锥网架典型单元承载比和基准承载比的迭代过程示意图8表示钢筋混凝土框架结构计算模型示意图9表示钢筋混凝土框架典型单元承载比和基准承载比迭代过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
总的来讲，本发明提供了一种基于结构构件和整体两层面承载安全性的设计与优化方法，该方法包括:步骤1，确定结构计算模型；步骤2，识别高承载和低承载构件；步骤3，计算构件和整体安全系数；步骤4，调整结构设计方案；进一步，包括步骤5，优化结构设计方案。
其中，步骤I中，根据工程结构初始设计方案或调整后设计方案的几何尺寸、材料参数、荷载状况和约束条件，确定结构计算模型。
其中，步骤2中，根据步骤I所确定的结构计算模型，结合荷载设计值，利用弹性模量缩减法计算各迭代步的单元承载比，然后根据高、低承载构件的识别准则，识别高承载和低承载构件。
其中，步骤2中所述的弹性模量缩减法通过有策略地调整单元弹性模量，以模拟结构的内力重分布和失效演化，进而确定结构的极限承载力，所采用的弹性模量调整策略为:
权利要求
1.一种基于两层面承载安全性的工程结构设计方法，包括: 步骤1，根据工程结构初始设计方案或调整后设计方案的几何尺寸、材料参数、荷载状况和约束条件，确定结构计算模型； 步骤2，根据上述结构计算模型，识别高承载和低承载构件； 步骤3，计算构件和整体安全系数；以及 步骤4，根据构件和整体安全系数，判断结构两层面承载安全性，并且确定或者调整结构设计方案。
2.根据权利要求1所述的设计方法，还包括步骤5: 在所确定或者调整的结构设计方案基础上，根据目标构件的识别原则和优化调整策略，优化结构设计方案。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其中，步骤2包括: 根据步骤I所确定的结构计算模型，结合荷载设计值，利用弹性模量缩减法计算各迭代步的单元承载比； 根据识别准则，识别高承载和低承载构件。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其中，步骤2中，所述识别准则包括: 迭代末步承载比闻于基准承载比的构件定义为闻承载构件；以及 迭代过程中承载比始终低于基准承载比的构件定义为低承载构件。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其中，步骤3包括:根据弹性模量缩减法迭代首步的单元承载比计算构件安全系数
6.根据权利要求1所述的设计方法，其中，步骤4进一步包括: 构件层面的承载安全性判断:若构件安全系数小于设计限值，则通过调整构件的几何尺寸或材料参数以增大该构件的截面强度，之后重复步骤I到步骤4，直到构件安全系数不小于设计限值； 整体层面的承载安全性判断:若整体安全系数小于设计限值，则在步骤2所识别的高承载构件中，增大构件安全系数小于整体安全系数限值构件的截面强度，重复步骤I至步骤4，直到整体安全系数不小于设计限值。
7.根据权利要求3所述的设计方法，其中，步骤2中，所述的弹性模量缩减法中，通过有策略地调整单元弹性模量，以模拟结构的内力重分布和失效演化，进而确定结构的极限承载力；所采用的弹性模量调整策略为
8.根据权利要求7所述的设计方法，其中，步骤2中，所述的基准承载比
9.根据权利要求2所述的设计方法，其中，步骤5中，根据结构优化调整策略，调整目标构件的截面强度，重复步骤2至5，直至达到预定优化目标，得到结构优化的设计。
10.根据权利要求9所述的设计方法，其中，步骤5中结构优化调整策略为:将目标构件的截面强度调整为原截面强度的倍，取与模数相吻合的构件截面尺寸；所述的为承载系数，
全文摘要
本申请提供一种基于构件和整体两层面承载安全性的工程结构设计与优化方法，包括步骤1，根据工程结构初始设计方案或调整后设计方案的几何尺寸、材料参数、荷载状况和约束条件，确定结构计算模型；步骤2，根据上述结构计算模型，识别高承载和低承载构件；步骤3，计算构件和整体安全系数；以及步骤4，根据构件和整体安全系数，判断结构两层面承载安全性，并且确定或者调整结构设计方案。根据目标构件的识别原则和优化调整策略，优化结构设计方案，保证了结构具有合理的安全储备，并且通过识别目标构件并合理调整其截面强度，优化结构的强度分布和承载状态，降低工程造价，获得承载性能和材料消耗均较优的结构设计方案。
文档编号G06F17/50GK103150444SQ20131009207
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月21日 优先权日2013年3月21日
发明者杨绿峰, 余波, 张伟, 李琦, 刘慧娟, 段秋华, 徐华, 欧伟 申请人:广西大学