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    某建筑钢桁架桥结构优化设计研究

    来源: www.workforlgbt.org 发布时间:2020-03-06 论文字数:41254字
    论文编号: sb2020021723470329612 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
    本文是一篇建筑论文,本文学习和研究了鲸鱼优化算法的基本原理和设计理念。鲸鱼优化算法是最近兴起的一种启发式搜索算法,具有搜索能力强,分布式螺旋计算以及设置参数少等优点。
    本文是一篇建筑论文,本文学习和研究了鲸鱼优化算法的基本原理和设计理念。鲸鱼优化算法是最近兴起的一种启发式搜索算法,具有搜索能力强,分布式螺旋计算以及设置参数少等优点,所以,在它一经提出后便很快在许多领域中获得了应用。与众多智能算法一样,在运行后产生类似的不足,比如,在运行空间的小范围内产生循环只能找到当前的最佳解,收敛速度慢等。

    第1章 绪论

    1.1 选题背景及研究意义
    在习近平同志“十九大”报告中做出重大判断,我们有了新的时代奋斗号令,新时代的特征表明我国发展目标从简单经济量化指标转向质量第一,效益优先的整体化布局。在新时代背景下,经济发展成效显著,建造工程的需求量增加,使得建筑行业取得了理想的成绩。为改善城市地貌,体现国家经济实力和技术水平,出现的惊艳、诧异、心领神会、无可名状的建筑给我们带来强烈的视觉冲击的同时,也无情地逼迫建筑师们进行思考。
    承担服务于全社会的公益性建筑之一的桥梁,在人类繁荣发展和社会进步中起着至关重要的作用。大约在公元前 4000 年,人类开始定居而生,从此便开始考虑永久性的桥梁建设。在远古,人类活动范围很有限,桥梁方面的发明创造在许多地方相继独立产生,所以桥梁的出现是人类文明史的结晶。在 20 世纪末,进行展望 21 世纪发展的国际桥梁大会;后又在展望“2025 年的土木工程”报告指出土木工程师的神圣使命[1]。
    我国基础建设无论是在政治文件还是国情需求上,都是推动供给侧结构改革的必需品。社会的发展带来机遇的同时,也带来了挑战,所以基础建筑设计的发展需要认真思考。本文的研究对象是桁架结构,它是高性能材料,便于结构设计,在受力方面,桁架结构的各个杆件均承担拉力或压力,不会产生零力杆件的情况。由于桁架结构特殊的优点,使其广泛应用与高铁、桥梁、港口、机场等建筑物中[2]。例如:康奈尔大学 Milstein  Hall/大都会建筑事务所(OMA)(图 1-1),海珠桥,北京机场航站楼,沈阳奥体中心,悉尼大桥。
    图 1- 1 康奈尔大学/大都会建筑事务所
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    1.2 结构优化设计的特点和方法
    1.2.1 结构优化设计特点
    结构优化,是指在约束条件的限制下,能够符合结构的质量、造价等评价指标寻求出最佳的设计方案。科学技术与社会进步,给结构优化技术带来了很大的进步发展可能。无论是从尺寸的优化,发展到形状,布局、拓扑以及其他类型的优化上,还是单目标问题转变为多目标问题,从确定性发展变为不确定性优化,都能体会到它的不断发展和提升。在原有的结构设计基础上,通过采用各种手段,达到结构材料的用量最少,结构所需的成本最低等是结构优化设计的目的。结构优化设计层次的高低,是由建筑工程结构的设计要求和所有可行性方案来确定的。人们对客观世界的深化认识可以体现在优化设计上,即指,在一定的物质基础和设计条件下,人的主观能动性得到不断的发展,最终取得符合要求的最佳结构优化方案。
    需求和可能有机结合促使各种学科不断发展,包括了工程结构优化设计。结构优化设计具有很强的使用性和综合性。结构优化设计的应用性更加灵活和适用范围更加广阔,可以战胜计算公式的经验性困难,突破传统优化设计的狭隘性,这种设计方法能够提高材料的利用率,使结构设计达到要求[3]。其在应对实例工程中的问题时构建优化设计模型,通过力学和结构的特征,优化和改善数学规划方法,其特殊之处在于提取了优化方法、有限元分析和计算机技术的优点,得出的结构优化设计结果更加精确,节省设计运行的时间,取得高质量的设计结构,能获得更好的经济效益。另外,在解决复杂结构优化问题时,相比传统的设计具有明显的优势。因此,结构优化设计对结构设计领域的应用前景有着重要的意义.
    使用科学和有效的方法确定一个设计变量,符合已设定的参数约束条件,求解出最小的目标函数即为结构优化设计的内容。根据不同的设计方案,形成不同的数值的量为设计变量,在不同建筑设计中有不同的表示行为,可以表示为在建筑物中分块设计,然后对每个杆件进行尺寸大小的描述;或者建筑物中所涉及的柱的高度,或使用柱直径表示;还可以对主梁统计分析,以主梁之间的间距为设计参数等等。桁架结构设计表明,可以平衡建筑物实用性和美观的性能,还有对建筑成本达到最大程度地降低,使其在同行的竞争环境里获益更多。所以,房屋建筑设计使用结构优化技术是适应时代要求的关键内容.
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    第2章 钢桥与桁架结构

    2.1 钢桥的发展历程
    桥梁的仿生设计最初西班牙设计师从形态结构入手的,观察动植物形态轮廓模仿,融合了著名建筑设计师高迪的牛头部结构和人脊柱等的效仿产生的设计理念。自然界中井然有序的系统环境,具有高效率和强灵动性的优点,是仿生法适用于桥梁设计的基础。使用拉压剪高指标的元素组合的构件,设计轻巧,是钢结构相比其他结构的主要优点。在现阶段,桥梁的体系结构设计一样的情况下,对跨越能力分析,发现钢桥比木桥等使用其他材料建造的桥梁大得多。长期工程实践中总结发现,在安全可靠的比较中,钢桥有明显的优势,在施工过程中,施工的质量有很好的保障,和钢桥施工时,对桥梁施工顺序没有特殊指定,在不区分结构部位时同时段施工有效加快施工的速度。当雨雪天气发生,小程度的破坏不会影响钢桥的使用,同时能够迅速修复,在某些部件损坏后,整个结构不需要申请报废,可以对某个构件替换,增加使用寿命,即便是遇到拆换桥梁的构件,拆下的构件也可以重新利用,不会造成资源的浪费[29,30]。
    工程技术伴随着欧洲工业革命的出现也在加速发展,其中高性能建筑材料的革新促进了桥梁事业的发展。钢材不仅能够解决建筑材料的强度性能,也平衡了跨径和造价之间的问题,促进了桥梁建筑的进程发展,桥梁建筑从此踏上现代化发展轨道。起初钢桥是应用在铁路上的,国家需求对公路的发展提出了更高的要求,而在 20 世纪国外钢桥有了发展,公路桥梁开始兴起。二次世界大战以后,德国、日本等国家为战后恢复国民生活需求,做出了修建大量公路型铁桥的措施。 
    梁的受力部位不同,形成的结构体系各有不同。主要承受荷载的部位可能为梁、拱肋或者梁与柱的组合。梁式桥的功能是承受弯矩带来的荷载。拱桥的承重特点是压力。缆索桥、刚架桥都是组合体系。桥梁的使用目的与建造风格也相关,可以分为很多类型。1890 年之前,桥梁设计的力学知识和设计规范处在逐步形成和完善的阶段,这一时期铁桥是主要应用形式。在北美洲,钢桥建设在 1890-1916年之间取得优秀的成就,简支梁和连续桁梁桥、钢拱桥等也有了很大的发展。包括:美国建成的 Metropohs 简支桁梁桥;加拿大建成的创下世界纪录的跨径为548.6m 的双线铁路悬臂桁梁桥;在 1930 年后的十几年内,桥梁的发展进入了蓬勃期,纽约华盛顿悬索桥、悉尼港两铰中承式桁架钢拱桥、旧金山海湾桥等都是这一时期出现的。桥梁建设量不再是人们考虑的要素后,结构经济性、耐用性开始进入建设桥梁的分析范围,例如 20 世纪 50 年代的科布伦茨莱茵河双线铁路桥[31-33]。
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    2.2 钢桥的构造
    在钢桥中占据主要地位的便是钢桁架,它可以承担施加的载荷,也可以作为悬索桥等桥梁的主梁结构。桥梁的建造需要以下几个内容:(1)承担主要载荷的桥跨结构。(2)为桥跨和基础之间产生传递作用的下部结构。(3)位于墩台上部、支撑传力结构的支座(4)其他的附属构造部件。
    桥梁设计以跨径为分界线,在四十米范围内的跨径简单的钢板梁便可以满足结构的受力要求,但是跨径超过这一范围,需要使用连续钢板梁桥,钢板的拼接使得焊缝减小,增强稳定性、产生的挠度较小等等。在遇到地基沉降复杂的情况时,使用悬臂钢板梁桥更加合适。桥面分为加入混凝土的和纯钢筋的板面,桥面与主梁在结构中的荷载作用情况关联在一起划分为结合和非结合形式的梁桥。如下图 2-1 所示,为两联连续钢桁梁组成,本桥是由纵梁和横梁组成的格子梁体系的明桥面结构[34]。
    图 2-1 大胜关长江大桥
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    第 3 章  鲸鱼优化算法及其改进 .............................. 19
    3.1 鲸鱼优化算法基本原理 ...................................... 19
    3.1.1 搜索捕食 ........................................ 19
    3.1.2 气泡袭击阶段 ................................ 19
    第 4 章  改进鲸鱼优化算法的应用 ..................................... 27
    4.1 测试函数中的应用 ................................... 27
    4.1.1 参数设置及实验结果 ................................ 28
    4.2 桁架结构中的应用 ............................ 30
    第 5 章  SWOA 在钢桁架桥中优化设计 .................................... 47
    5.1 工程概况 ............................................. 47
    5.2 建立钢桁架桥工程的数学模型 ........................................ 49

    第5章 SWOA 在钢桁架桥中优化设计

    5.1 工程概况
    本工程为霸州市综合治理工程一期 A 段,拟建筑物由景观桥、桥头道路等建筑组成。本桥采用自承式拱形钢桁架桥形式,全桥长 95m,人行桥跨径为 90m,结构型式为桁架拱桥,主体上部结构采用Q345qD钢梁,基础为承台+钻孔灌注桩基础。本桥采用钢桁架拱圈为主要受力构件,与承台预埋件满焊固定,交接位置内部植入钢筋,柱脚位置浇灌混凝土处理。
    在进行景观桥钢材的优化设计时,这里是以杆件的横截面积 A 为设计变量,需要同时考虑桁架的强度约束、刚度约束、稳定性约束和挠度约束,保证桁架正常工作时的荷载要求强度,刚度和稳定性,即满足对应力和位移的限制。
    选取 BAM-1-A-28 段桁架,该段桁架跨度为 15m,高 4.0m,桁架横向断面尺寸 7.0m,该桁架所有杆件均使用 Q345qD 空心钢管,四角为固定支座,底板为现浇混凝土结构,支座下由混凝土柱提供支撑固定,柱子能有效约束桁架的侧向位移,因此该桁架整体稳定性较好。
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    结论与展望

    结论
    本文研究和分析基本鲸鱼优化算法,在算法运行过程中,找出影响收敛精度和运行速度的原因。发现信息熵对事件判断的法则,可以引入算法,提高算法的运行性能,即一种基于信息熵的改进鲸鱼优化算法。使用了标准的测试函数、平面桁架结构和空间桁架结构验证改进算法的可行性。再结合工程实例进行优化设计,可以得出以下结论:
    (1)研究分析基本鲸鱼优化算法的运行中存在的缺陷,提出了基于信息熵的改进鲸鱼优化算法,使算法跳出局部最优解和提高了算法的运行速度,避免了算法早熟现象,便于应用到桁架结构的优化设计中。
    (2)对改进的鲸鱼优化算法选取了 6 个测试函数和 5 种类型的杆件优化应用,可以得出,改进后的算法在处理函数的高维复杂问题时,比其他智能算法更加简单,取得理想的标准差和平均差。在 15 杆的平面桁架结构中,使用 SWOA 算法优化设计比 WOA 算法在自重上降低了2.66%,SWOA 算法运行的迭代次数比WOA 算法减少了 100 次;在 25 杆的空间桁架结构中,使用 SWOA 算法优化设计比 WOA 算法在自重上降低了1.65%,SWOA 算法运行的迭代次数比 WOA 算法减少了 130 次。可以得出,无论是采用平面结构体系,还是空间结构体系,在相同的约束条件下,杆件的自重得到减轻,而且提高了算法的收敛精度与运行速度。
    (3)以霸州市的刚桁架桥为实例进行桁架结构设计,选取了 2 段桁架,优化设计分析。BZM-1-A-28 段桁架,使用 SWOA 算法,得到质量为9292.75kg,与 PSO、ACO 和 WOA 算法相比较,自重分别减轻了5.27%、4.98%和 5.60%。SWOA 算法在运行了 380 次左右趋于稳定。BZM-1-A-30 段桁架,使用 SWOA 算法,得到质量为15828.74kg,与 PSO、ACO 和 WOA 算法相比较,自重分别减轻了1.40%、2.20%和 2.43%。SWOA 算法在运行了 250 次左右趋于稳定。
    综上表明,SWOA 算法在桁架结构优化设计上得到适用,提供了一种新的思路和方法,具有一定的参考价值。
    参考文献(略)


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