张弦梁结构的特点及其分析设计方法综述

张弦梁结构的特点及其分析设计方法综述

发表时间：2017-08-17T15:10:48.987Z 来源：《基层建设》2017年第12期作者：肖攀[导读] 摘要：张弦梁结构已在大型工程中广泛应用。

武汉理工大学土木工程与建筑学院建筑与土木工程专业湖北省武汉市 430070 摘要：张弦梁结构已在大型工程中广泛应用，张弦梁结构是由撑杆、弦、和抗弯受压构件构成，是把预应力施加在弦上来改善抗弯受压构件的受力性能，形成一种自产自销的自平衡体系，因而受力合理、施工制造简单、运输方便，因而在应用前景上十分喜人。本文简要介绍了张弦梁结构的多个方面的的特征，回顾了以局部分析法为主的张弦梁结构分析设计方法。

关键词：张弦梁结构；结构分类；受力机理；局部分析法 1 引言

张弦梁结构是由日本大学M.Saitoh先生最早提出来的，可以说是一种新的混合屋盖体系。张弦梁结构顾名思义，最初是由“将弦进行张拉，与梁组合”这一基本形式而得名。张弦梁结构一般都是由撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件，其具有明确的受力，简单的结构体系等特点，并且制造运输施工较为简便，因而应用前景一片光明。我国在张弦梁的研究及应用还处于初级阶段中，本文简单介绍了张弦梁的特点及分类，并对目前较为流行的设计方法进行了简单的概括。

2 张弦梁结构的特点

2.1 张弦梁结构的分类

张弦梁结构可分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构，这是由它的受力不同决定的。平面张弦梁结构顾名思义，其结构构件位于同一平面，并且其受力以平面内为主。平面张弦梁结构以上弦的形状不同又可分为：人字型、直线型、拱形张弦梁结构。空间张弦梁结构是由平面张弦梁结构组成，主要分为：单向张弦梁、辐射式张弦梁、双向张弦梁、多向张弦梁。

2.2 张弦梁结构的受力机理

通常认为，由于张弦梁结构的下弦拉锁中施加了预应力，因而上弦压弯构件产生反向的挠度，导致结构的总挠度减小，并且上弦的压弯构件由于撑杆对其提供了弹性的支撑，结构的受力性能大大改善了。

如果忽略拉锁超张拉于结构中产生的预应力，那么它的受力特点实际上是和简支梁一样（图1）。从结构的内力来看，和简支梁一样，张弦梁结构也承受整体弯矩和剪力。竖向荷载下，张弦梁的整体弯矩和下弦构件的压力以及下弦拉锁形成的等效力矩相平衡。

张弦梁结构的整体剪力是由上弦杆承担，这是因为张弦结构仅仅只布置了竖向支撑，并且下弦拉锁不能承担剪力。张弦结构的下弦拉锁一般用的是高强度材料，例如钢绞线或半平行的钢丝束等，因此和普通材料的结构相比，它可以承受更大的拉力，从而张弦结构更适用于大跨度结构。

图1 简支梁与平面张弦梁结构的受力性能比较

（图中、分别为外荷载 0产生的截面整体弯矩和整体剪力） 3 张弦梁结构的分析设计方法

张弦梁这种复合结构也能采用有限元的方法进行分析，通过对荷载—位移曲线进行全过程分析，可以得到并分析结构的承载能力，撑杆的数目，弦的面积和应力等因素对结构性能的影响。张弦梁另一个关键的设计环节是如何确定初始状态下结构的预应力的分布和大小。基于此种考虑，有人提出了局部分析法来求初始预应力分布，即将锁、杆、梁单元分开，将结构进行分块计算。

3.2 局部分析法的基本假定和主要步骤

局部分析法的基本假定：

（1当对结构下部锁杆张力体系的自应力模态和机构位移模态进行计算时，应假定上部梁系结构是刚体；（2）连接节点均为铰接节点。

局部分析法的主要步骤：

（1）将混合结构体系中的梁同索、杆分离，将结构体系进行分块，将与上部结构相连接的锁杆体系的铰接点全部施加固定约束，使其成为独立的结构。

（2）对下部的锁杆体系进行内力分析，因而可以得到体系的独立的自应力模态、独立的机构位移模态，这样可以将独立的自应力模态进行组合，于是下部结构的初始预应力分布就可以得到。

（3）将所求得的下部结构及相连接单元的内力加到上部结构上，对上部结构进行平衡方程的求解或用目前被广泛采用的有限元进行线性分析都可以得到上部结构的内力分布。

3.4 张弦梁结构其余的一些分析设计方法

（1）平衡矩阵理论：对于包含两节点梁单元的空间杆系结构，可以用平衡矩阵理论提供理论支持，因而从理论上来讲，我们可以由结构体系的总体平衡矩阵来求解任意杆系结构的初始预应力分布。此理论最早是由英国剑桥大学Pellegrino教授提出来的，此方法用于确定一阶或高阶无穷小机构的初始预应力分布，是十分完整有效的。

建筑结构优化设计

建筑结构优化设计 发表时间：2016-03-28T16:11:12.903Z 来源：《基层建设》2015年23期供稿作者：陈火涛吕金钊罗森陈钰璐陈湧填[导读] 华南农业大学水利与土木工程学院广东广州 510642 当然除此之外还有一些构造上及概念上的优化措施，将在概念设计，高层剪力墙结构与高层混凝土结构的优化设计中重点论述。 陈火涛吕金钊罗森陈钰璐陈湧填 华南农业大学水利与土木工程学院广东广州 510642 摘要：对建筑结构优化设计理论进行了概述，并重点介绍了基于可靠度理论的工程结构优化设计，概念设计在结构优化设计中应用，高层混凝土结构的优化设计以及高层剪力墙结构的优化设计四个方面，为结构的优化设计提供参考依据。关键词：结构设计；优化；应用 结构优化设计的任务，就是以数学规划为基础，将力学的概念、理论和近似方法和数学规划方法结合，转化成数学问题，建立数学模型，选择计算方法，运用计算机在多种可行性设计中，选择出相对而言属于最优的设计方案，达到兼顾经济性，安全性，舒适性的目的。其步骤可分为设计变量，建立目标函数，确定约束条件，经过计算分析得出优化的计算结果。[1]当然除此之外还有一些构造上及概念上的优化措施，将在概念设计，高层剪力墙结构与高层混凝土结构的优化设计中重点论述。 1.基于可靠度理论的结构优化设计 结构的可靠度指结构在设计的基准期内能够承受施工过程中以及正常使用期间的各种外加荷载和变形，有较好的工作性能，耐久性满足正常使用要求，在偶遇灾害如地震，海啸，爆炸等发生时保持必要的整体稳定性。[2] 从工程结构的可靠度理论角度分析，传统的结构优化设计存在以下几点不足：①传统的结构优化并没有完全反映体现结构的可靠性，也没有定量描述可靠度理论，得出的最优结构并不能确保结构具有足够的可靠性。②由于结构构件的尺寸和材料的性能参数具有随机不确定性，而传统结构优化设计并没有考虑这些因素因此并不能反映参数不确定性这一特点。基于以上分析论述，结构的可靠度要求考虑进工程结构优化设计的数学模型中，文献[3]给出了基于可靠度约束的结构优化算例，在结构可靠度分析基础上进行结构优化设计，实现经济合理的设计方案。 2.概念设计在结构优化设计中应用 概念设计，即在建筑物施工前，设计人员考虑建造地周围的地理环境、文化环境与社会环境等，提出相应的建筑结构设计方案，优化建筑结构设计，以期达到进一步融合周围环境与社会环境的目的。概念设计有效弥补理论性设计与计算性设计的不足，使结构设计方案更科学合理；进行抗震设计时概念设计能在降低地震作用效应的同时提高建筑工程的质量和安全性；科学合理的概念设计拓展了建筑物的结构设计思路，增强工程质量、安全性及工程造价。[4] 2.1应用概念设计可在多个建筑结构施工方案中择优而用。 概念设计使得建筑结构施工方案具有合理性、实用性和经济性，这要求设计人员在优化建筑结构时，充分考虑建筑物建成后的目的、抵抗外界环境的能力需要、施工条件、施工材料等因素，从而制定并选取科学合理、全面系统的建筑结构施工方案。 2.2概念设计中应用抵抗自然灾害的能力设计。 概念设计应与时俱进、因地制宜，如考虑抗震能力设计、防火能力设计、抗击风荷载能力设计等，充分考虑现代建筑结构需要适应的社会环境与自然环境，在建筑结构满足工程施工要求的同时，优化结构，使工程中各个构件环环相扣，增强建筑工程的安全性。 3.高层剪力墙结构的优化设计 剪力墙结构体系由于整体性好，侧向刚度大，抗震性能优越，且由于没有梁柱的外露突出，结构层平整，利于房间布置，因而被广泛应用于高层住宅性建筑中。对该结构体系进行优化需考虑钢筋混泥土用量大造价高，剪力墙中墙肢轴压比偏低的承载力发挥不充分，采用构造配筋的墙体延性低等常见问题，[5]如何对剪力墙结构体系进行优化，使其既发挥其抗侧能力强等优点，又降低工程造价，现就以下几方面进行论述。 3.1强周边，弱中部。剪力墙应尽量布置在结构周边，中部减少剪力墙的布置量，以提高结构的抗扭刚度，控制结构的周期比与位移比。另外，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置，避免单向布置，并宜使两个受力方向的抗侧刚度接近。 3.2多均匀长墙，少短墙。选择对结构承受水平及竖直向荷载有利的隔墙位置布置剪力墙，尽量设置为长墙，以充分发挥剪力墙的作用。在较长的剪力墙宜开设门窗洞口，上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁，将其分成长度较均匀的若干墙段，墙段之间宜采用弱连梁连接。 3.3剪力墙应自下到上连续布置，允许沿高度改变墙厚和混凝土强度等级，或减少部分墙肢，使侧向高度沿高度逐渐减小。这样一方面可以避免刚度突变，另一方面可以减轻自重，降低工程造价。 3.4尽量采用普通剪力墙和使墙肢长度较长，并且两端与翼墙相连，减少小墙肢和短肢墙的数量。应尽量减小墙肢长度的差异，使各片剪力墙分配的地震作用力均匀。这样发挥了剪力墙的抗侧移刚度，在满足规范层间位移角限值的情况下，减少剪力墙的数量；同时减少了开洞的数量和其两端边缘约束构件的数量从而减小暗柱的构造配筋面积，使得工程造价降低。 4.高层混凝土结构的优化设计 高层建筑的特点是建筑结构需同时承受水平和竖向的荷载作用。混凝土是高层建筑设计中的重要考虑因素。在进行结构设计时要充分考虑各种因素，确保结构的强度，刚度和延性均处于合理范围，高层混凝土结构的优化设计具体措施有以下几个方面。 4.1合理使用高强砼和高强钢筋 强砼和高强钢筋高优化构件截面尺寸的合理使用，可以减轻地基的承载量和高层建筑自重，从而减小超高层受地震破坏的程度。还减低施工单位的成本，使经效益最大化。 4.2布局优化 高层建筑宜使结构平面形状简单、规则，适合刚度和承载力分布均匀的结构单元。 4.3 抗震结构的优化

预应力找形找力

为了使张弦梁结构在施加了预应力和重力荷载产生变形后其形状为设计的形状, 需要进行找形分析算出结构的原始形状, 作为杆件的下料依据. 找形分析也称为初始平衡问题, 进行找形分析的方法有: 物理模型实验方法；非线性有限元法;支座位移法;力密度法;动力松弛法等。 根据张弦梁结构不同的荷载状态, 结构形态可以分 3 种. 零状态 ( 又称放样态 ): 预应力索尚未张拉时结构的状态. 此时杆件中应力为零, 故称为零状态;初始态 ( 又称预应力态 ) : 预应力索张拉完毕时结构的状态;荷载态:预应力索张拉完毕并且外荷载也施加完毕时结构的状态.对于索中预应力的大小，可以根据预应力度和相应的索力设计准则来确定,因此张弦梁的找形分析就属于第二种找形分析:在给定预应力分布状态的情况下,寻找零状态几何形状. 文献 [ 1 ] 提出了逆迭代法进行张弦梁的找形. 逆迭代法需要多次的非线性迭代、试算, 要求有一定的计算经验, 才能减少试算次数. 同时在这种方法中以固定的力来代替结构中的索, 结构的刚度并未考虑索的贡献. 找形结束后, 模型不能直接应用于结构的后续荷载态分析. 文献 [ 2 ] 应用 AN S Y S 基于逆迭代法的原理对一榀单向张弦梁进行找形. 该方法适用于上部为型钢梁的平面张弦梁结构, 要求结构具有对称性.实际上, 上弦梁的形式通常是立体桁架. 在桁架中由于斜腹杆的存在使结构产生不对称的位移. 当应用AN S Y S 中的 U P GEO M 命令时, 将使变形误差得到累积, 而给下一次的计算增加了结构初始变形缺陷, 在非线性计算时结构将

由于失稳而停止; 计算过程中仍然需要重新建立模型; 计算中依然以力代索, 没有考虑索的刚度, 模型不能直接应用于后续分析如上所述, U P GEO M 命令将撑杆在每一次计算后的侧向偏移量累加到零状态的节点坐标, 使撑杆在非线性计算时产生失稳而使计算不收敛. 解决这个问题有 2 种方法: 在找形时, 保持撑杆的平面外坐标 ( Z 轴向 ) 不变, 只改变平面内 ( X、Y 轴向 ) 的坐标值; 在找形时, 对撑杆的上下节点在侧向 ( Z 轴向 )上施加单向位移约束. 对一榀单向张弦梁按以上两种方法进行找形, 两种方法所得出来的结点坐标是一致的. 对于双向张弦梁, 由于横向索和纵向索的相互影响, 采用 L i nk8 杆单元无法收敛, 可以用梁单元beam 44 来代替杆单元. 计算结果表明, 应用梁单元来模拟撑杆, 可以保证非线性计算收敛. 在实际的结构中, 撑杆的上弦同上部梁是铰接的, 采用梁单元计算将加大结构的刚度. 对一榀张弦桁架分别用梁单元和杆单元来模拟撑杆. 计算结果表明, 模型中采用梁单元模拟撑杆进行计算时, 上弦构件、撑杆和索的各项内力小于杆单元模型, 但是两者的差别非常小. 因此可以采用梁单元来模拟双向张弦梁中的撑杆. 在找形时, 可以先采用杆单元来模拟撑杆, 对撑杆的上下两端施加双向位移约束, 使撑杆在竖向自由. 找形结 束后, 去掉撑杆两端的约束, 并换用梁单元模拟撑杆进行计算; 也可以直接用梁单元模拟撑杆计算, 此时可不在撑杆两端施加约束 参考文献: [ 1 ] 张其林, 张莉, 罗晓群. 预应力梁 - 索屋盖结构形状确定 [ C ] / / 第九届空间结构学术会议论文集. 北京: 中国建筑科学研究院建筑结构研究所, 200 0 : 387 - 39 4 .

结构化分析设计与面向对象分析设计比较研究

结构化分析设计与面向对象分析设计比较研究 重庆工商大学计算机科学与技术08软件龚霞 指导老师康世瀛 中文摘要：解析了结构化方法和面向对象方法这两种软件开发方法具有的分析设计过程，讨论了各自在不同软件开发中的应用及局限性，提出了在选用面向对象开发大型软件系统的同时可结合结构化方法。 关键词：软件开发；结构化方法；面向对象方法 Abstract：This paper anatomizes the analysis and design process of Structural method and objected-oriented method,discusses their applications and disadvantages and proposes that structural method can also be used while developing the large-scale software systems in selecting the objected-oriented method. Key words：software-development;objected-oriented method;structural method 一、引言 结构化方法由E.Yourdon和L.L.Constantine在1978年提出，结构化方法又可称为面向功能的软件开发方法或面向数据流的软件开发方法。结构化方法是建立在软件生存周期的模型基础上的一种软件开发方法，相对于早期的个体化开发方法无疑是前进了一大步。 由于传统的生命周期开发学存在下面的问题：生产率提高的幅度远不能满足需求，软件的重用度很低，软件难以维护，软件往往不能满足用户的需求。所以出现了面向对象软件开发方法。这是一种自底向上和自顶向下相结合的方法，而且它以对象建模为基础，从而不仅考虑了输入、输出数据结构，实际上也包含了所有对象的数据结构，所以面向对象的软件开发方法彻底实现了PAM没有完全实现的目标。不仅如此，面向对象技术在需求分析、可维护性和可靠性这三个软件开发的关键环节和质量指标上有了

结构优化设计的综述与发展

结构优化设计的综述与 发展 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

结构优化设计的综述与发展 摘要：结构优化设计，就是在计算机技术等高科技手段的支持下，为了提升机械产品的性能、工作效率，延长机械产品的工作寿命，对机械产品的尺寸、形状、拓扑结构和动态性能进行优化的过程。这是机械行业发展的必然要求，也是信息时代的必然要求。结构优化设计，必须在保证机械产品满足工作需要的前提下，通过科学的计算来实行。文章将简单对结构优化设计的发展状况进行介绍，列举几种优化设计方法，以及讨论未来优化的发展情况。 关键词：结构优化设计发展优化设计方法 1 结构优化设计 结构优化简单来说就是在满足一定的约束条件下，通过改变结构的设计参数，以达到节约原材料或提高结构性能的目的。结构优化设计通常是指在给定结构外形，给定结构各元件的材料和相关载荷及整个结构的强度、刚度、工艺等要求的条件下，对结构进行整体和元件优化设计。结构优化设计一般由设计变量、约束条件和目标函数三要素组成。评价设计优、劣的标准，在优化设计中称为目标函数；结构设计中以变量形式参与的称为设计变量；设计时应遵守的几何、刚度、强度、稳定性等条件称为约束条件，而设计变量、约束函数与目标函数一起构成了优化设计的数学模型。结构优化的目的是让设计的结构利用材料更经济、受力分布更合理。 结构优化设计根据设计变量选取的不同可以分为截面（尺寸）优化、形状优化、拓扑优化三个层次。尺寸优化是选取结构元件的几何尺寸作为设计变量，例如，杆元截面积、板元的厚度等等[1]。而形状优化是选取结构的内部形状或者是节点位置作为设计变量。拓扑优化就是选取结构元件的有无作为设计变量，为0-1型逻辑型设计变量。 2 结构优化设计研究概况与现状 结构优化设计最早可以追溯到17世纪，伽利略和伯努利对弯曲梁的研究从而引发了变截面粱形状优化的问题。后来Maxwell和Michell提出了单载荷仅有应力约束条件下最小重量桁架结构布局的基本理论，为系统地分析结构优化理论作出了重大的贡献。然而长期以来，由于缺乏高速可靠的计算手段和理论，结构优化设计一直无法获取较大发展。 到上世纪六十年代，有限元技术借助于计算机技术，得到了极大的发展。1960年Schmit在求解多种载荷情况下弹性结构的最小重量问题时，首次在结构优化中引入入数学规划理论，并与有限元方法结合应用，形成了全新的结构优化思想，标志着现代结构优化技术的开始[2]。 1973年Zienkiewicz和Campbell[3]在解决水坝的形状优化问题时，首次以节点坐标作为设计变量，在结构分析方面使用了等参元，在优化方法上使用了序列线性规划的方法。其后，众多的学者在此基础上，逐渐发展形成了使用边界形状参数化方法描述连续体边界的方法，即采用直线、圆弧、样条曲线、二次参数曲线、二次曲面、柱面等方式来描述边界。 1982年，Iman提出了设计元法。该方法把结构分成若干子域，每个子域对应一个设计元。设计元由一组控制设计元几何形状的主节点来描述，接着选择一组设计变量来控制主节点的移动。该方法可以有效地减少设计变量，但也存在网格畸形的缺点。 1986年Belegundu提出了基于自然设计变量和形状函数的形状优化方法[4]。他选择了作用在结构上的假想载荷等一系列自然变量，把由假想载荷产生的位移加到初始

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第一章南京某小区复合地基事故第章基础 南京某小区复合地基事故： 该小区位于河西，七层砖混住宅，场地内有深厚的淤泥质软土层，增强体刚性桩未穿过软土层，施工也存在质量问题，建造过程中一直到结构封顶，沉降持续发展，最后采用锚杆静桩较好的才控制住降静压桩，压入深层较好的土层，才控制住沉降。最近几年，我们做了一批20层~30层100米以内的高层剪力墙住宅，采用刚性桩复合地基都取得成功。例如：淮安恒大、淮安中南、合肥融侨等都是20万~30万㎡的高层住宅小区，天然地基承载力约在200k 左右采用予应力管桩作为增加体然地基承载力约在200kpa左右，采用予应力管桩作为增加体， 复合地基承载力可达到500Kpa左右

张弦梁找形与结构分析

张弦梁找形与结构分析 摘要：本文在阅读了相关文献的基础之上，粗略的介绍了张弦梁的一些基本知识、找形方法和结构分析的一些成果。 关键字：张弦梁；找形；结构分析； 张弦梁（Beam String structure,BSS），是一种大跨度空间结构体系，是由上部刚性构件（一般为梁、拱）、中间撑杆和下弦拉索中组成的一种自平衡体系。其结构受力特点有：索受拉力，撑杆为受压二力杆、拱为压弯构件。加之，预应力的引入，使得三者之间相互平衡，能够形成有有机的受力整体，使得结构材料的力学性能得到最大的发挥，有利于承载力的提高。 然而对于张弦梁而言，由于只有在张拉完毕之后，各组成部分才会形成受力整体，结构整体拥有较大的刚度，而在张拉过程之中，结构刚度较弱，随着预应力的加载，会有较大的变形。这就导致了，张弦梁不能像一般的刚性结构一样施工放样，存在着找形问题。 Figure 1张弦梁结构示意图 1找形分析 1.1相关概念 对于张弦梁找形问题，需要明确以下三种概念[2]： 零状态几何：体系在无自重、无外荷载、无自内力的情况下的几何形态。其仅对上部结构梁单元构件的下料长度有意义，对下弦索和竖向压杆建议采用应力下料。 初状态几何：体系在自重、屋面附加恒荷载、全部或一半屋面活载和自内力情况下的几何构形。其力学意义在于考虑结构常态荷载，即重力荷载和预应力共同作用下，体系上部结构各构件的内力最小，全部或部分控制节点的竖向位移为

0，即体系上部结构重力场作用下引起的变形和内力为最优。 荷载态几何：体系在各种作用组合工况下的几何构形。 目前较为一般的观点认为，应取初状态几何为计算参考构形且初状态几何等价于建筑设计几何。三种几何状态的先后关系，一般为零状态下料施工到初状态几何，初状态结合进入使用阶段进入荷载态几。而一般设计都从初状态几何切入，找到零状态几何，然后再由此上前。 1.2张弦梁形状确定问题 确定下弦索的曲线形状和竖向杆的布置和数量是找形分析的重点。文章[2]，采用局部分析法确定初状态几何下，全部竖杆的设计预内力的分布和水平，然后由下部索杆体系的拓扑几何关系推出矩阵H确定竖杆下节点的竖向坐标。对水平间距相等的竖杆，在设计预应力相等的情况下，下弦索的曲线形状为二次抛物线，并做出了简单的推导。 1.3预应力模拟方式 在张弦梁结构中，用有限元模拟预应力主要有三种方式[13]，如下： 力模拟法，通常是在两端索段加上力来模拟预应力。其能够比较好的模拟张拉过程中，索力—位移曲线，但不能进行施工阶段的加载分析。 初应变模拟法，通过某些索段或者整个索段施加初应变，来施加预应力。能够实现预应力张拉完毕后，接着进行施工阶段的加载分析。但它只能用于一次预应力张拉施工，无法完成实际工程中多次预应力张拉。 等效降温法，是根据物体的热胀冷缩特性, 对张弦梁下弦的钢索进行降温使之收缩，对收缩进行限制从而产生了下弦受拉、腹杆受压、上弦受到压弯作用的效果, 于是便可有效地模拟施加预应力的张拉过程。能够很好的模拟预应力张拉过程，完成多次张拉预应力，并且保证结构的完整性，在结构张拉完毕之后，可以进行荷载态分析。但得到的结构初状态对后续的计算存在温度差值的影响[4]。 1.4找形方法 张弦梁找形，解决的是怎样从给定某个与拉力范围的初状态几何逆算出零状

结构化分析和设计方法

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机械结构优化设计 ——周江琛 2013301390008 摘要：机械优化设计是一门综合性的学科，非常有发展潜力的研究方向，是解决复杂设计问题的一种有效工具。本文重点介绍机械优化设计方法的同时，对其原理、优缺点及适用范围进行了总结，并分析了优化方法的最新研究进展。关键词：优化方法约束特点函数 优化设计是一门新兴学科,它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上,通过计算机的数值计算,能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案,使期望的经济指标达到最优,它可以成功地解决解析等其它方法难以解决的复杂问题,优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法,因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。优化设计主要包括两个方面:一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型,建立数学模型包括:选取适当的设计变量,建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式,约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系;二是如何求得该数学模型的最优解:可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值的问题。机械优化设计就是在给定的载荷或环境条件下,在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内,以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象,选取设计变量,建立

目标函数和约束条件,并使目标函数获得最优值一种现代设计方法,目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。优化设计是20世纪60年代初发展起来的，它是将最优化原理和计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新方法，就可以寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域，它已广泛应用于各个工业部门。优化方法的发展经历了数值法、数值分析法和非数值分析法三个阶段。20世纪50年代发展起来的数学规划理论形成了应用数学的一个分支，为优化设计奠定了理论基础。20世纪60年代电子计算机和计算机技术的发展为优化设计提供了强有力的手段，使工程技术人员把主要精力转到优化方案的选择上。最优化技术成功地运用于机械设计还是在20世纪60年代后期开始，近年来发展起来的计算机辅助设计（CAD），在引入优化设计方法后，使得在设计工程中既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案，又可加快设计速度，缩短设计周期。在科学技术发展要求机械产品更新日益所以今天，把优化设计方法与计算机辅助设计结合起来，使设计工程完全自动化，已成为设计方法的一个重要发展趋势。 优化设计方法多种多样，主要有以下几种：1无约束优化设计法；无约束优化设计是没有约束函数的优化设计，无约束可以分为两类，一类是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法，如最速下降法、共轭梯度法、牛顿法及变尺度法等。另一类是只利用目标函数值的无约束优化方法，如坐标轮换法、单形替换法及鲍威尔法等。此法具有计算

基于midas的张弦梁结构有限元分析

基于MIDAS的张弦梁结构有限元分析 基于MIDAS的张弦梁结构有限元分析 摘要：本文结合某社区游泳馆屋盖的张弦直梁的选型进行了分析。运用有限元软件MIDAS分别从张弦梁的高跨比以及撑杆个数与下弦预拉力的关系，分析自振模态与撑杆数目的关系，从而综合各个指标对梁结构进行了优化设计。 关键词：张弦梁，梁截面高度，撑杆数量，自振频率 Abstract: In this paper, the selection of a straight beam-string in a community swimming pool has been studied using FEM software MIDAS. The height-span ratio and the relationship between pole number and the pre-tension as well as self-vibration modes is research based on FEM method. Based on the result, the design of the structure is optimized. Key words: string beam, beam section height, pole number, self-vibration frequency 中图分类号：TB482.2 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012） 1 引言 某社区游泳馆的跨度为20.8m，原方案的屋盖为H型钢梁为主承重构件，次梁也为H型钢，屋面板为压型钢板为衬板的组合屋面板。由于跨度和空间的局限，原方案采用了较为传统的屋架梁作为主承重构件，为满足结构的应力和挠度要求，选择截面高度为1.6m。相对来说占据了较大的游泳馆的使用净空，而且从观感来说整个结构会欠缺轻盈。为此，本文提出一种较为新型的梁形式，张弦梁结构。由于该工程跨度较小，在原方案的基础上，上弦依然采用H型钢梁，增加了下弦的高强张拉索，所以降低了整个梁截面的高度和上弦梁H型钢梁的截面厚度。 2 张弦梁概念 张弦结构体系中最早出现的是张弦梁结构，它是由梁、柔性下杆、撑杆三类构件组成[1]，属于刚柔并济的结构形式。当张拉下弦的高

结构化设计方法

结构化设计方法 刘凤祥

目录 第一模块软件工程和软件过程 (3) 瀑布模型 (4) 快速原型模型 (5) 增量模型（渐增模型） (6) 螺旋模型 (7) 喷泉模型 (8) 第二模块结构化分析 (9) 概述 (9) 与用户通信的技术 (9) 分析建模与规格说明 (10) 实体——关系图 (11) 数据流图 (11) 状体转换图 (12) 数据字典 (13) 练习 (14) 第三模块结构化设计 (14) 第四模块结构化实现 (31) 第五模块软件项目管理 (31) 第六模块案例分析 (32)

第一模块 软件工程和软件过程 一、 概述 1. 谁有软件开发的经验？软件开发的大概过程是什么？曾遇到过什么问题？ 2. 计算机系统的发展所经历的四个阶段 3. 软件危机：在计算机软件的开发和维护过程中所遇到的一系列严重问题 4. 产生软件危机的原因 5. 消除或减少软件危机的途径 二、 软件工程 ①把系统化的、规范化的、可度量的途径应用于软件开发、运行和维护的过程，也就是把工程化应用于软件中；②研究①中提到的途径。 三、 软件工程的基本原理 1. 用分阶段的生命周期计划严格管理 2. 坚持进行阶段评审 3. 实行严格的产品控制 4. 采用现代程序设计技术 5. 结果应能清楚地审查 6. 开发小组的人员应该少而精 7. 承认不断改进软件工程实践的必要性 1）60年代中期以前 无软件设计的文档资料 2）出现了软件作坊，“软件危机”出现，1968年提出“软件工程”的概念 3）20世纪70年代中期开始，10年。主要特点是出现了微处理器 4）软硬件的综合效果

五、生命周期模型 瀑布模型 图1.2传统的瀑布模型 1. 阶段间具有顺序性和依赖性 2. 推迟实现的观点（尽量晚的开始程序的编写） 3. 质量保证的观点 优点：可强迫可发人员采用规范化的方法；严格地规定了每个阶段必须提交的文档；要求每个阶段交出的所有产品都必须经过质量保证小组的仔细验证。 缺点：软件产品交付用户前，用户仅仅通过写在纸上的静态的规格说明，很难全面正确地认识动态的软件产品

结构优化设计大作业(北航)

《结构优化设计》 大作业报告 实验名称: 拓扑优化计算与分析 1、引言 大型的复杂结构诸如飞机、汽车中的复杂部件及桥梁等大型工程的设计问题，依靠传统的经验和模拟实验的优化设计方法已难以胜任，拓扑优化方法成为解决该问题的关键手段。近年来拓扑优化的研究的热点集中在其工程应用上，如: 用拓扑优化方法进行微型柔性机构的设计，车门设计，飞机加强框设计，机翼前缘肋设计，卫星结构设计等。在其具体的操作实现上有两种方法，一是采用计算机语言编程计算，该方法的优点是能最大限度的控制优化过程，改善优化过程中出现的诸如棋盘格现象等数值不稳定现象，得到较理想的优化结果，其缺点是计算规模过于庞大，计算效率太低;二是借助于商用有限元软件平台。本文基于matlab软件编程研究了不同边界条件平面薄板结构的在各种受力情况下拓扑优化，给出了几种典型结构的算例，并探讨了在实际优化中优化效果随各参数的变化，有助于初学者初涉拓扑优化的读者对拓扑优化有个基础的认识。

2、拓扑优化研究现状 结构拓扑优化是近20年来从结构优化研究中派生出来的新分支，它在计算结构力学中已经被认为是最富挑战性的一类研究工作。目前有关结构拓扑优化的工程应用研究还很不成熟，在国外处在发展的初期，尤其在国内尚属于起步阶段。1904 年Michell在桁架理论中首次提出了拓扑优化的概念。自1964 年Dorn等人提出基结构法，将数值方法引入拓扑优化领域，拓扑优化研究开始活跃。20 世纪80 年代初，程耿东和N. Olhoff在弹性板的最优厚度分布研究中首次将最优拓扑问题转化为尺寸优化问题，他们开创性的工作引起了众多学者的研究兴趣。1988年Bendsoe和Kikuchi发表的基于均匀化理论的结构拓扑优化设计，开创了连续体结构拓扑优化设计研究的新局面。1993年Xie.Y.M和Steven.G.P 提出了渐进结构优化法。1999年Bendsoe和Sigmund证实了变密度法物理意义的存在性。2002 年罗鹰等提出三角网格进化法，该方法在优化过程中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率。目前常使用的拓扑优化设计方法可以分为两大类：退化法和进化法。结构拓扑优化设计研究，已被广泛应用于建筑、航天航空、机械、海洋工程、生物医学及船舶制造等领域。 3、拓扑优化建模（SIMP） 结构拓扑优化目前的主要研究对象是连续体结构。优化的基本方法是将设计区域划分为有限单元，依据一定的算法删除部分区域，形成带孔的连续体，实现连续体的拓扑优化。连续体结构拓扑优化方法目前比较成熟的是均匀化方法、变密度方法和渐进结构优化方法。 变密度法以连续变量的密度函数形式显式地表达单元相对密度与材料弹性模量之间的对应关系，这种方法基于各向同性材料，不需要引入微结构和附加的均匀化过程，它以每个单元的相对密度作为设计变量，人为假定相对密度和材料弹性模量之间的某种对应关系，程序实现简单，计算效率高。变密度法中常用的插值模型主要有:固体各向同性惩罚微结构模型(solidisotropic microstructures with penalization，简称SIMP)和材料属性的合理近似模型(rational approximation ofmaterial properties，简称RAMP)。而本文所用即为SIMP插值模型。

结构形式的合理优化方法

结构形式的合理优化方法 1、推敲地下室布置 地下室结构在结构成本中所占的比重很大，而且地下室的结构离散性比较大，对其他部分的影响和关联不明显，做好地下室结构的优化设计对于控制整个结构成本至关重要。 首先，要注意公共大地下室的面积的充分利用，做好单层地下室和多层地下室的方案比较。其次，要把握好支护成本的降低，尽量抬高整个±0.000的标高，因为这不仅降低了支护的成本还节约了土方的开挖和外运，减少了地下水丰富区域的水压力的影响，对地下室的底板和抗拔桩的设计都起到了有利影响。对地下室的结构成本控制还要把握好地下室顶部覆土厚度的控制和顶部活荷载的控制，地下室顶部覆土的厚度一般与景观布置和地下管线的埋设要求有关系，这就要求在设计管理过程中把景观设计和管网设计提前介入，做好精细化设计和专业配合工作，严格控制好地下室顶部覆土的厚度。最后，要把握好地下室顶板和底板的布置方案，对这些结构布置方案要做好多方案成本比较，要全方位的把握方案的可行性，对方案的取舍要慎之又慎。 2、控制层高 在满足建筑立面和使用净高的前提下，减少层高不仅可以减少竖向构件的长度和体积，同时还可以减少基础等土建成本和外装、设备及运营成本。对于一般中档房屋来讲，层高每减少100mm，成本可减少30～40元/㎡，地下室还会更高些。减少层高可以通过结构专业控制梁高、设备专业每层综合布线来实现。某些部位还可以采用变截面梁或在梁中预埋套管等措施来保证楼层净高的要求。 3、控制宽高比（即结构高度和结构有效宽度的比值） 建筑高宽比越大，主体结构抗倾覆力矩也越大，安全所需抗侧力构件（剪力墙）便越长，由此便会增加结构成本。控制高宽比成为了结构优化设计的显著环节。 4、优化剪力墙设置 底部商业、底层复式住宅或架空层层高一般较高，为满足规范要求，剪力墙墙厚必须增加较多，同时因变成了短肢剪力墙，配筋也将进一步增加，此时可以通过验算超限墙体的稳定性来减小墙厚，由此一来，墙厚变小，成本也将大大降低。

张弦梁的结构特点

大跨度张弦梁的结构特点 提要：张弦梁结构是近十余年来发展起来的一种新型大跨结构形式。结构由抗弯刚度较大的刚性构件和高强度的拉索组成，自重较轻，可以跨度很大空间。本文在简要介绍张弦梁结构特征、成形过程和研究现状的基础上，对需要研究的课题提出建议。 关键词：张弦梁，施工控制，结构稳定，振动 一概述 大跨度张弦梁结构（Beam String Structure，简称BSS）是近十余年来快速发展和应用的一种新型大跨空间结构形式。结构由刚度较大的抗弯构件（又称刚性构件，通常为梁、拱或桁架）和高强度的弦（又称柔性构件，通常为索）以及连接两者的撑杆组成;通过对柔性构件施加拉力，使相互连接的构件成为具有整体刚度的结构，如图1所示。由于综合应用了刚性构件抗弯刚度高和柔性构件抗拉强度高的优点，张弦梁结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较大，因而可以跨越很大的空间。一般说来，尽管张弦梁的梁、拱和桁架截面可为空间形状，但结构的整体仍表现为平面受力结构。同时，张弦梁的组合亦可构成空间受力结构，如1991年日本建造的天城穹顶就是以张弦梁为基本受力单元组合成的空间穹顶结构 (1) 。 张弦梁结构已经应用于若干实际工程中。二十世纪九十年代，在日本建造了诸如Green Dome Maebashi，Ogasayama Dome，Urayasu Municipal Sports Hall 等十几座类型各异的以张弦梁为主要受力结构的场馆，其中Green Dome Maebashi的平面尺寸达167×122m (2) 。1997年建成的上海浦东国际机场候机

楼是我国首次将张弦梁结构应用于超大跨空间结构中，其最大跨度达82.6m (3) ；目前在建的广州国际会展中心也在屋盖体系中采用张弦梁结构，其最大跨度达126.5m；拟建的深圳会展中心，其张弦梁结构跨度也将达124m。张弦梁结构在我国的研究和应用尚处于初级阶段，本文拟简单介绍张弦梁结构的结构特征、成形过程和若干理论问题的研究现状，并在此基础上对需要进一步研究的课题提出建议。 二张弦梁的结构特征 张弦梁结构的整体刚度贡献来自抗弯构件截面和与拉索构成的几何形体两个方面，是种介于刚性结构和柔性结构之间的半刚性结构 (4) ，这种结构具有以下特征： ⑴承载能力高 张弦梁结构中索内施加的预应力可以控制刚性构件的弯矩大小和分布。例如，当刚性构件为梁时，在梁跨中设一撑杆，撑杆下端与梁的两端均与索连接，如图2(a)所示。在均布荷载作用下，单纯梁内弯矩见图2(b); 在索内施加预应

基于有限元分析的结构优化设计方法的研究_李曼丽

基于有限元分析的结构优化设计方法的研究 The research of a structure optimization design method based on FEA 李曼丽，杨志兵 LI Man-li ，YANG Zhi-bing （北京理工大学 机械与车辆学院工业工程研究所，北京 100081） 摘 要：提出一种新的结合有限元分析和参数化建模的结构优化设计方法，并利用单参数分析和多参数 分析进行阐述。在该方法中，首先建立产品的参数化FE模型，实现修改参数后自动更新产品模型并进行计算；其次利用二次开发设计用户界面，通过单参数分析评价各参数对产品结构性能的影响程度，通过多参数分析在修改两个参数的条件下，基于权衡研究找出产品结构最佳优化方案；最后提出一种根据权重评价多参数修改条件下的设计方案的思路。 关键词：结构优化设计；有限元分析；参数化FE模型 中图分类号：TH122;TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2013)09(下)-0123-04Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2013.09(下).37 收稿日期：2013-05-21 作者简介：李曼丽（1990 -），女，河南周口人，硕士，研究方向为CAD/CAE 。 0 引言 如今，竞争日趋激烈的环境迫切需要企业快速开发出高质量的产品，为了在降低成本同时改善产品的性能，对产品进行结构优化设计是具有实际意义的。结构优化是在满足最优结构性能时能自动生成机械零件设计的一种方法，它能够在成本较低的情况下满足设计要求。最优结构性能可能是产品的质量较轻或者便于操作者使用[1] 。 在过去的一段时间内，很多学者对机械产品如液压挖掘机、飞机零件等的结构优化设计做了一些研究[2]，验证了有限元分析（FEA ）在分析产品结构性能时所体现的重要意义的意义。FEA 是对已知工作载荷和边界条件下的结构强度计算的最强大的一门技术。随着并行工程以及DFX 技术的发展，FEA 已成为设计过程中的关键步骤。最初FEA 只是用来在设计最后验证设计的合理性，现在已经应用到设计整个过程，尤其是在上游设计阶段[3]。 然而，传统用于结构优化的FEA 技术需要花费大量的时间，不能满足快速响应的需求，因此关于FEA 的进一步的研究目前引起了学术界的注意。Qiao L.H.等提出了一种基于工程仿真的混合优化设计方法，并以钳臂为例进行验证该方法[4]。通过总结前人的研究成果，其中一些研究也提出了参数建模方法，可以有效减少设计时间，并提高设计质量。Liu Z.C.等同归对VC+ +和ANSYS 的APDL 语言进行结合开发，完成了YJ32液压机下梁 的有限元优化设计[5]。基于有限元分析和参数化建模这两个基本理论，本文提出了一种结构优化设计方法，可以帮助设计者短时间内找出产品的最优设计，最后以电焊钳钳臂为例验证该方法的有效性。 1 基于FEA 的强度分析 强度是产品设计过程中最基本的设计要求，为了测试产品是否能够承受工作载荷，需要进行有限元分析得到最大应力和最大位移，并与产品所用的材料性能进行比较。另外，设计者可以考虑采用加强筋或加强套，或者改变关键尺寸来提高产品的强度。通常情况下，有加强筋的钳臂可以承受更大的负载，直径尺寸大一些的使用寿命较长，但同时重量也增大，因此设计者要对强度和重量进行权衡，找到最优设计。强度分析被广泛用于获得特定负载条件下的结构的最佳强度/重量比。 Zhang B.等利用FEA 技术，通过参数研究方法分析内燃机的气缸盖直径这一关键参数，验证了气缸盖的结构设计中存在一个理想的参数匹配点[6]。参数和最大应力之间的匹配关系有助于产品设计。本文从两个方面阐述了一种新的结构优化设计方法：单参数分析和多参数分析。 1）单参数分析 产品结构的很多参数都会影响结构性能，并且影响的程度不同。因此，可以通过单参数分析方法找出相对重要的影响参数。在固定其他参数

建筑结构优化设计

第一章 第章基础 1、基础类型： ? 天然地基基础 ?复合地基→天然地基+增加体（柔性桩、刚性桩）? 桩基：常规桩基 后处理加强的后注浆钻孔灌注桩 先处理加强的劲性复合予制静压桩

第一章第章基础 ? 天然地基承载力不宜低于预期复合地基承载力的百分之四 十软土地基上采用复合地基要慎重组成复合地基的增采用复合地基应注意： 十，软土地基上采用复合地基要慎重。组成复合地基的增强体桩基，应具备一定刚度，并且不能是端承桩；随着复合地基承载力需求增大增强体桩基的支承刚度与 ? 随着复合地基承载力需求增大，增强体桩基的支承刚度与桩身强度，要求也需相应提高，对于20层~30层的高层建筑不宜采用单纯摩阻桩桩端进入较好的持力层但持筑，不宜采用单纯摩阻桩，桩端进入较好的持力层。但持力层不宜是强风化以上的岩层，桩身强度承载力要满足计算底板与桩基持力层选择需慎重 算，底板与桩基持力层选择需慎重。

第一章南京某小区复合地基事故第章基础 南京某小区复合地基事故： 该小区位于河西，七层砖混住宅，场地内有深厚的淤泥质软土层，增强体刚性桩未穿过软土层，施工也存在质量问题，建造过程中一直到结构封顶，沉降持续发展，最后采用锚杆静桩较好的才控制住降静压桩，压入深层较好的土层，才控制住沉降。最近几年，我们做了一批20层~30层100米以内的高层剪力墙住宅，采用刚性桩复合地基都取得成功。例如：淮安恒大、淮安中南、合肥融侨等都是20万~30万㎡的高层住宅小区，天然地基承载力约在200k 左右采用予应力管桩作为增加体然地基承载力约在200kpa左右，采用予应力管桩作为增加体， 复合地基承载力可达到500Kpa左右

辐射式张弦梁结构动力特性初探

辐射式张弦梁结构动力特性初探 摘要：根据工程实例，结合实际应用的节点和连接方式，进行三维有限元建模，采用sap2000瞬态时程动力分析模块，应用hiber-huges-taytor(hht)法方法对辐射式张弦梁结构的线性时程分析进行了初步研究，得到了ei-centro波激励下的顶点位移和结构水平剪力的时程曲线，进一步研究了hht法系数的取值不同对时程曲线的影响程度，研究结果表明在地震波的激励下结构的时程曲线性质基本相同，在激励时间内表现稳定，结构的抗震性能良好；结构x方向的位移和剪力建立大于y方向的位移和剪力；hht法中的系数对计算有一定的影响程度，在应用此法进行结构的时程分析时，要试算其影响程度，以消除对结果的影响，以满足工程设计的要求。 关键词：辐射式张弦梁，线性时程分析，动力特性，hht法 中图分类号：k928.78 abstract: according to the project, combined with the actual application nodes and connection mode, three-dimensional finite element model, the sap2000 transient dynamic analysis module, the application of hiber-huges-taytor ( hht ) method was studied for the analysis of linear structure of zhang xianliang radiation type, time history curves of displacement and structure of horizontal