结构优化设计研究现状

结构优化设计研究现状（共12篇）

结构优化设计研究现状 篇1

伴随着我国国民经济的蓬勃发展及世界范围内的经济一体化, 国家大力发展建筑事业, 在工程结构复杂性的不断提高与发展的同时, 也设计提出了更高的要求, 相关技术人员希望探索出一个更加准确, 高效设计的方法。结构优化方法的正好顺应了这一需求。

1 结构优化设计概述

传统的结构设计大致过程是:假设—分析—校核—重新设计[1]。随着科技和社会的发展, 人类对建筑物要求的不断提高, 工程结构设计的复杂性也随之不断加大, 传统的设计方法越来越不能满足实际需要。计算机辅助设计 (CAD) 、计算机辅助分析 (CAE) 技术的不断进步以及优化设计理论的出现, 使得实现上述需求成为可能。有限元分析、优化设计成为实现上述要求的主要途径。结构优化设计的过程一般是假设—分析—搜索—最优设计[2]。搜索过程也是设计中不断修改的过程, 即选取特定的优化算法来找出最优的设计方案, 实现最优化的设计目标, 这是一种主动的且有规则的搜索过程。结构优化设计实质上是以数学规划方法为基础, 将工程结构设计的问题转化成数学上的规划求解问题, 依次建立其结构优化数学模型, 选择适当的优化计算方法, 以此来得到最佳的设计方案。

结构优化设计的思路[3]包括:建立优化数学模型, 指定优化设计变量, 限定优化约束条件, 以及优化的目标函数。设计变量一般分为:连续设计变量和离散设计变量两种。目标函数就是用来衡量设计优化程度的一种指示, 建筑结构优化约束条件一般有几何约束条件和性态约束条件两类。

按优化的层次由简到繁, 结构优化又可以分为:尺寸优化、形状优化和拓扑优化。尺寸优化是优化设计中的最初层次, 在优化过程中只考虑结构中某些杆件的截面尺寸变化, 目前这方面的优化已经相对比较成熟, 很多商业软件也集成了这方面的功能;在给定的结构拓扑前提下, 通过优化调整结构的边界形状以及内部几何形状, 从而达到优化目标是形状优化的范畴;如果允许在优化过程中加入对结构节点拓扑连接关系的优化就称为拓扑优化。目前拓扑优化研究尚处于起始阶段, 主要还是针对连续体的拓扑优化。

2 结构优化算法介绍

为了实现结构的优化设计, 在建立了可靠的优化模型之后, 还需要选择适合所优化问题的优化算法。

目前优化算法理论大致可分为以下三类:最优准则法、数学规划法以及启发式方法。

(l) 最优准则法。准则法始于二十世纪初期, 最早出现于米歇尔桁架结构优化问题中, 主要包括满应力准则法、桁架满位移法、齿形法、能量准则法等[4]。准则法具有明确的物理意义, 其优点是简单直观、收敛快, 且其计算量与设计变量的数目无关, 只与优化时的约束条件的数目相关, 因此特别适用于大型复杂建筑结构的优化设计。

现代的最优准则法 (OC) 是二十世纪七十年代开始, 人们普遍开始把数学中满足的Kuhn-Tuker条件作为最优准则法的准则, 从此使最优准则法的理论性不断加强, 其通用性大大提高。Zhou[5]又将OC法进一步分为COC、DOC以及DCOC三类。

(2) 数学规划方法。准则法没有关于优化收敛证明的理论依据, 有可能出现迭代过程振荡甚至有时会出现不能收敛的现象。Schmit[6]指出准则法得到的解可能不是真实的最优解, 研究并建立了数学规划法, 数学规划法主要可分为线性规划和非线性规划两大类型[7]。

(3) 启发式算法。随着近几十年计算机技术的不断进步, 世界各地的学者根据生物、物理现象慢慢发展了启发式优化算法, 也可以叫做智能优化算法。

常见的智能优化算法有:神经网络算法、蚁群算法、遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等, 这类算法相对最优准则法和数学归纳法适用范围更为广泛, 求解问题的限制也相对较少, 但相对而言其优化设计的工作量最大, 此类算法目前已在世界范围内有一定程度的应用。

3 结构优化存在的问题

结构优化设计发展主要是以下两点:一是, 对于优化理论方法的研究, 二是, 针对具体实际工程, 利用现有的优化设计方法进行设计。具体问题大致分为以下几点:

(1) 需要结合工程经验选定设计变量、确立目标函数、建立约束方程, 而在实际工程应用中需考虑的因素较多, 从而增加了优化设计的困难性。

(2) 各种优化算法以及不断演变的新型算法很多, 设计者有事不清楚各种优化算法的原理与优缺点, 往往不易选准计算方法, 从而使结构优化设计趋于复杂。

(3) 由于实际结构的复杂性和多样性, 用计算机编制相关优化程序及其计算的工作量非常之大。

(4) 优化设计是多学科的交叉内容, 而一些工程设计人员可能只专注于设计领域, 而在数学或者程序编制方面研究不足, 这就造成了设计与优化设计不能很好地结合在一起。

4 结语

(1) 工程结构优化设计从尺寸优化到形状优化、拓扑优化, 从单目标优化到多目标优化, 其优化设计的层次向更高方向发展。

(2) 优化算法从传统的准则法、数学规划法, 发展到智能算法。优化的理论和方法都得到长足发展。

(3) 最优准则法、数学规划法及智能算法都有其自身局限性。针对实际工程, 对上述算法不断改进、组合使用, 是工程结构优化算法未来发展的主要方向。

摘要：总结了结构优化设计的发展历程, 概括了结构优化的特点和结构优化的处理过程, 系统介绍了常见几类结构优化算法及各自的优缺点。通过研究, 总结出了结构优化目前存在的问题。

关键词：结构优化设计,最优准则法,数学规划法,智能算法

参考文献

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[6]L A Schmit.Structural design bysynthesis[C].Proceding of the second Conference On Electronic Computation.New York:ASCE, 1960, 105-132.

[7]蔡新, 李洪煊等.工程结构优化设计研究进展[J].河海大学自然科学版, 2011, 39 (3) :269-276.

结构优化设计研究现状 篇2

关键词：建筑结构设计；优化方法；协调性；经济性能

现如今，人们对建筑的要求不再简单的是居住使用要求，随着时代的不断发展，人们对建筑的美观性和安全性也愈加重视，对建筑的实用性能有了更严格的要求。基于以上要求的变化，这就要求我们不断改变并优化结构设计，采取耳穴的方案，同时满足美观性和实用性，并且还能够降低成本投入，提高经济效益，促进建筑业的良好健康发展。

1结构设计优化方法内容及其原则

1.1概述。在房屋建筑结构设计时，如果要对设计方法进行优化，这就势必给工作人员带来更多的问题，例如成本问题和建筑材料问题。这种情况下，就要求工作人员用最低的资金投入，进行房屋建筑设计的优化。对优化房屋建筑设计时，其优化的内容主要包括两个内容：

①优化整体的房屋建筑结构；

②优化局部的房屋建筑结构。而局部房屋建筑结构主要就是对主体结构、房顶结构和下部基础结构等分别进行优化设计。1.2原则。

（1）使建筑具有安全性能。房屋结构优化不是简单的进行材料的节约，而是首先要确保房屋建筑结构安全，然后利用专业知识，结合实际的房屋建筑情况，对房屋建筑结构进行科学合理的优化，从而使得房屋建筑的设计趋于完善。

（2）使建筑具有实用性能。对于房屋建筑优化设计的另一个原则就是要确保建筑物的实用性，使得房屋建筑通过优化设计具备更多的功能，满足人们的实用与使用需求。

（3）保证建筑结构优化的同时保护环境。房屋建筑结构优化设计的另一个原则就是要尊重环境，也就是说要注意环保，例如，可以采用绿色环保材料。

（4）确保建筑具有可用价值。这个原则也是非常重要的一点，要求在进行房屋建筑优化设计时，不能一味追求利益，忽视质量，而是要在保证建筑质量的基础上降低资金投入。根据以上原则，不难看出，在进行房屋建筑结构优化设计时必须保证其科学、安全、质量要求。首先，充分重视结构优化模型，科学合理的结构设计变量得到解决。主要针对相关的参数值和约束来控制参数值的选择应注意，而较小的将实现一个预定义的类型参数，可以有效地减少编程，提高效率，提高整体水平；然后是目标函数的确定，这将对建筑作为一个整体的成本情况来理解。可以科学地确定约束条件，为结构的优化设计奠定基础。

2建筑结构设计优化方法的具体应用

2.1整体和局部优化。房屋建筑结构设计具有复杂层次性。首先要求在进行设计时要考虑设计、结构、安装等不同子系统及其下属体系。在进行优化设计时，综合考虑各个子系统和下属体系并且进行优化；其次，由于在房屋建筑结构设计时设计到施工材料、构建、配件等内容，这就要求进行房屋建筑设计时，进行整体优化。建筑结构的优化计算模型和优化计算方案属于建筑结构优化设计的重要组成部分。建筑结构的优化设计的本质就是在变量中提取重要的参数，根据上述所说参数建立函数模型，从而得到比较好的方案。一般来说，建立模型主要从以下方面入手：①合理选择设计变量，这属于重要内容，而且在选择变量设计会影响参数的选择，因此合理计算变量就能将降低计算编程的工作量；②确定目标函数，首先要在符合函数的基础上找到最优解，才能确定目标函数；其次，将约束条件确定下来，主要包含弹塑性、强度、应力及尺寸等方面，在优化建筑结构的同时，必须确保约束条件的范围在规定的要求之内，满足设计的需求。

2.2建筑主体上部结构的科学性优化。建筑主体上部结构的科学性优化，是在建立模型，优化系统设计，保证科学合理性的基础上，对建筑剪力墙进行优化设计。首先，建立合理的剪力墙数量；其次，保。证剪力墙的整体质量的统一性，保证其整体结构的重心，减少地震等灾害对房屋建筑的破坏；最后，如果要保证剪力墙的高抗剪能力，在满足质量的要求上减少墙的数量。

2.3概念设计结合细部结构设计优化概念设计的应用表明没有具体的量化数据，例如，抗震防裂度，这种情况下没有具体的量化的标准进行优化设计，因此需要用到概念设计。但是在设计过程中，要求工作人员必须会合理且灵活运用建筑结构设计的优化方法。例如，在进行抗震设计时，可以根据房屋建筑的实际情况，选择合理的抗震方法进行设计，方法不同，但是达到了相同的优化目的。

2.4结构设计中注重协调性设计。应用结构设计的优化方法，可以充分体现在协调方面。将建筑与整个平面之间的关系应得到有效的加强，可以在结构设计中加以保护，以及结构设计的外观也应体现。在设计过程中，墙、柱的结构布置，建筑平面功能需要得到有效保证，建筑空间和深度，充分保证房子的整体结构来反映系统的简单性，在各部门的高度可以充分的保护。

2.5对计算结果进行分析，确定最优设计方案。作为优化结构设计中比较重要的部分，结果分析的意义不言而喻。在此过程中，要将计算数据结果进行详细的分析，然后以数据中得到的信息为依据，制定优化设计方案。另外，在优化设计的过程中需要多方面考虑，尤其是各种阻碍因素，要对其进行控制，使得建筑结构优化设计能够顺利完成。此外，由于在施工建设过程中，涉及的人力、物理、财力较多，因此结构优化的主要目的就是合理降低上述指标，从而保证建筑指标不会受到影响。因此，在建筑结构设计中必须注意：①找到建筑技术和经济之间的平衡点，降低二者矛盾，使用高新技术，降低费用成本；②充分理解技术所带来的经济价值，充分意识到技术的进步和发展有利于降低经济损耗，因此这就要求必须加强技术发展。

3建筑结构设计优化的现实意义

3.1有利于降低工程总成本。现阶段，高层建筑不断增加，与普通多层建筑比较，主要的区别就是占据的土地面积比较小，占据的空间面积比较大，减少用地费用。但是建筑物的高度的增加，层数的增多，就容易造成楼与楼之间的不协调问题，占地节约量和建筑的层数不成比例。因此，不可以单纯的追求建筑的高度而忽视土地节约量，要将占地面积、造价进行统一协调。另外，高层建筑并不会因为层数的增多增加楼顶，这就明显的降低了成本，只是会增加楼层的基础造价。

3.2有利于加强建筑物的整体经济性能。随着层数的不断增加，建筑物必会影响整体框架梁与柱的承载能力，使之承载力增加，这就造成墙体的面积和梁柱的体积的增加，增加结构自重，电线、水管等管道等房屋配置会有所延长。相对来说，普通的多层建筑物能够节省建材但不会影响抗震性能。此外，建筑物高度的不同势必会影响墙面的范围，这时候一般会选择圆形建筑或者是接近方形的建筑，这样外墙的周长系数就会相对减少，而且内外装修面积也会随之减少，而且以上形状有利于其受力的提高，在保证安全稳定的基础上增加了建筑的整体经济效益。

4结束语

综上所述，参考实际情况，从多个方面，研究对房屋结构设计中的建筑结构设计优化方法的应用，利用结构理念和方法的不断优化，有效的提高建筑整体的结构设计质量。希望本次的相关研究，可以对房屋建筑结构设计优化起到一定指导作用。

参考文献：

关于输电铁塔结构优化设计的研究 篇3

关键词：输电线路；铁塔结构；优化设计；绝缘配置；防雷特性；档距；角钢规格

中图分类号：TM753 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）26-0025-03

1 输电线路铁塔结构设计的基本原则

作为我国电力供应系统的关键组成部分，输电线路铁塔广泛分布于我国各地区的电力输送系统中，在保障我国电力输送稳定与安全方面发挥着重要作用，是保障我国电力系统安全供电的基础和前提。为保证设计方案的科学和合理，设计人员在对输电线路铁塔结构进行设计的过程中，要严格遵守相关规章原则进行。

1.1 绝缘配置

对输电线路进行绝缘配置就是要对铁塔上各档距之间所存在的各种放电途径进行绝缘设置，以确保输电线路在雷电过电压、操作过电压以及工频电压等条件下的安全可靠运行。由于多回输电线路具有停电检修困难等特殊性，在设计过程中要使绝缘子的清扫周期延长，以减少维护工作量。对于同塔多回路的情况，可以考虑提高一级对纰漏比距进行设计。还可以参照现行规程规定执行。现行的规程规定中关于相间间隙和相对地间隙的规定是在结合多年经验及理论研究测试的基础上修订而成的，具有一定的参考价值。在通道紧张地区通常多采用同塔多回路结构，以V型串对垂悬串进行布置。采用同塔多回路既能有效节约输电线路走廊，使铁塔在大风情况下避免闪络，还能通过V型串设计使相同绝缘子的耐污电压较I型串电压高出20%以上。通达多回路导线间的距离要在满足《技术规程DL/T5092-1999》计算公式的前提下，根据导线布置的特殊情形在同侧横担上对不同回路间的导线进行相邻布置，并且将水平距离增加0.5米。

1.2 防雷特性

在送电输电线路设计手册中，用N=rhT，h=hg-2f/3来计算输电线路被雷击中的次数，在式中，地面落雷的密度用r表示，避雷线的平均高度用h表示，年雷暴日数用T表示，避雷线悬挂点的高度用hg表示，避雷线弧垂用f表示。通过公式可以看出，随着地线平均高度的增加，输电线路被雷击中的次数也逐渐增多。以500kV同塔四回路导线为例，由于其平均高度较单回路高出50米，较双回路高出30米，使得其实际被雷击的次数较单回路增加2.1～2.5倍，较双回路增加0.6～1.0倍。就绕击而言，在地线保护角相同的情况下，塔高每增加20米，绕击率就会增加一倍。至于反击，铁塔的电感和波阻会随着同塔多回路塔高的增加而增大，铁塔遭受雷击后的反射波从塔顶传播至接地装置再反射回塔顶的时间就会增加，导致较大的电位升高值，从而引起较单回路、双回路较高的绝缘闪络跳闸率。

1.3 塔身和基础

由于同塔多回路铁塔的塔身风压及外部荷载较单回路输电线路高出好几倍，在很大程度上增加了铁塔的自身重量及基础作用力。因此，可以将大跨越工程中重要工程与重要系数相乘的做法引入到对多回路铁塔结构的设计中，进而适当增强多回路铁塔结构设计的安全系数。对于大截面导线的多回路铁塔（500kV或220kV），可以通过采用钢管桁架结构对塔身风压及材料的体形系数进行适当降低。还可以选用高强度钢材运用于跨越塔等特殊塔形设计。受大量导地线的影响，多回路铁塔的设计会较多地受到安装工况的限制，因此，在设计过程中可以通过采用合理的施工手段，适当限制作业工序，还可以适度增大临时拉线的张力以有效降低塔重。在对同塔多回路铁塔进行结构设计的过程中，要严格遵守安全可靠的原则。

2 铁塔优化设计分析

2.1 取用合理的档距

单基杆塔的重量及单位公里杆塔数量决定了单位公里的塔重。单基塔重与杆塔基础成反比。为了获得最优单位公里塔重指标，可以首先对杆塔档距与经济指标进行优化计算，在结合外业定位经验的基础上综合考虑排位等因素对杆塔的水平、垂直档距进行确定。文章在结合本工程实际的基础上，通过对比分析，最终按表1设计各种铁塔的档距。

2.2 合理的角钢规格

在设计过程中，塔重还受到材料规格的影响，结合当前我国国内角钢生产情况及角鋼截面特性，通常选用宽肢薄臂角钢作为稳定控制的构建，选用厚壁角钢对强度或孔壁挤压进行控制，既要保证杆件足够大的刚度，又要保持尽量小的挡风面积。在进行稳定控制时，选用L56×4角钢要比选用L50×5具有更好的稳定承载力和重量轻度；而进行强度控制时，则应优先考虑肢厚的杆件。

2.3 合理的布材

2.3.1 塔身主材分段：由于主材具有较大的长度和较少的接头，可以有效降低塔重，而各主材段之间的应力差异较大，过多的上部主材容易造成浪费。因此，尽可能保持各节间相等或相近的主材应力是理想的设计状况。对塔身主材进行分段需要对腹杆及各节间的长度进行综合优化，在实际实施过程中，有工程根据具体的塔形按照等差级数进行优化处理，效果明显。通常来说，节间距应与塔杆的外负荷成正比。为了方便制图、加工和放样，在设计的过程中对于直线铁塔一般取1.2米左右的节间长度，而对于耐张线路铁塔则按1.5米左右进行等节间布置。此外，受塔身分段、外形尺寸、接腿等因素以及节间长度和腹杆布置等因素的影响，铁塔主材稳定性及强度很难同时达到最优。通常以主材稳定性及强度承载力同时最大化时的节间长度为拟定参考值对主材的节间长度、杆件布置等进行优化，以进一步降低塔重。

2.3.2 塔身斜材布置：塔身斜材的布置直接受到塔身主材各节间长度及辅助材料布置形式的影响，斜材承载力大小的关键在于斜材与水平面角度设计的好坏。过小的夹角由于过密的斜材布置而直接影响材料性能的发挥，而角度过大又会使得杆件选材规格加大，使得材料的重量和长度增加。本工程通过对各种塔形斜材与水平面夹角的优化计算，最终确定40°～50°为最佳夹角。在宽基塔及大跨越铁塔设计中需要用到大量的K型结构。在直线塔设计中，上部较窄部分较多用到小交叉布置方式，用较多的节点板和较少的辅助材，而下部较宽部位则主要采用节点少、结构简单但辅助材较多的大交叉布置方式，以实现主材各部位受力的最

优化。

3 结语

在我国电网建设需求量日益增大的今天，作为输电线路重要组成部分的铁塔结构设计也备受关注，输电线路的稳定性和可靠性直接受到铁塔结构设计质量好坏的影响。近年来，台风、冰雹、暴雨等自然灾害对我国电网建设造成极大损害，这就对铁塔结构的稳定性以及输电线路的安全性提出了新的要求，深入开展铁塔结构设计研究具有巨大的现实意义。随着输电新技术及特高压电网在我国的推广、建设和应用，输电线路铁塔设计面临越来越多的挑战，在今后的铁塔结构设计中，要不断沿着经济合理、安全可靠的目标和方向发展。

参考文献

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[5] 李庆林.特高压输电线路铁塔组立抱杆的方案选择[J].电力建设，2007，（3）.

作者简介：冀广生（1960-），男，吉林海龙人，鞍山铁塔制造总厂工程师，研究方向：电力铁塔设计（钢结构方面）。

钢结构厂房设计现状及优化 篇4

1 钢结构厂房的优势及特点

1.1 钢结构厂房的优势

钢结构厂房的优势主要体现在以下几个方面:①钢结构的安装速度比较快,而且其组成零件和部件等已经实现了批量生产,其焊接、开孔等作业的质量控制措施和技术措施等已经比较成熟,所以可在一定程度上缩短施工周期;②与混凝土结构相比较,钢结构具备较高的抗震能力,加上钢结构本身的重量比较轻,所以大幅降低了基底反力;③通常而言,钢结构的强度比较高,钢材属于强度比较高的材料,这就决定了钢结构的建设成本较低,而且可以重复利用,有效避免了材料的浪费,属于环保材料。

1.2 钢结构厂房设计的特点

钢结构厂房的设计特点主要体现在以下几个方面:

(1)就结构的跨度而言,钢结构的跨度比较大,厂房使用的柱子通常比较高。众所周知,生产厂房属于生产企业的重要基础设施,所以其产品的体积与重量等一般情况下比较大。但是钢结构的体积与质量却较好的满足了这一要求,其重量比较轻,体积也不是很大。

(2)钢结构的纵向柱距一般比较大,如果是重工业的厂房结构,则应根据行业的特点进行钢结构的设计。当前,钢结构厂房主要用于大中型机械加工、大型冶炼电炉和配电车间等。所以,这就要求在设计钢结构时,应充分发挥钢结构厂房纵向的空间,从而完善厂房的工业设备布局。一般情况下,重型钢结构厂房的纵向柱距宜控制在12～24m范围内。

(3)对于钢结构厂房来说,吊车作业量比较大,吊车的使用频率也比较高。所以,在设计工业钢结构厂房时,应采用重级工作制吊车与中级工作制吊车中的一种。

(4)钢结构厂房承重构件截面面积一般比较大,为了使其可以承受较大的吨位,一般需要结合具体工程的实际,通过优化结构的措施,提高钢结构厂房的刚度。在设计时,采用格构式构件与桁架,能够提高钢结构的承载能力。

2 钢结构厂房设计的现状及优化

2.1 钢结构厂房的设计现状

由于钢结构厂房工艺布置的需要,多层的厂房一般情况下会使用较大的空间结构,通常会选用框架结构。如果工艺条件许可,则可以选择框剪结构。所以,钢结构厂房的布置需要满足以下方面的要求:①对于柱网的布置,应当对称均匀布置,从而提高钢结构厂房的质量与刚度,降低厂房空间扭转的作用;②防止出现集中应力、变形凹角、竖向外挑和突变收缩等现象,降低刚度突变发生率。

对于钢结构的稳定性来说,最关键的便是轴力与弯矩耦合效应,再次是整体稳定与局部稳定之间的关系。现阶段,钢结构厂房设计中,安全系数无法准确反映整体与局部之间的关系。钢结构厂房的结构参数无法有效确定,所以,必须不断优化钢结构厂房的设计,以提高其安全性能与使用性能。

2.2 钢结构厂房的优化设计

2.2.1 温度伸缩缝的优化设计

一般情况下,温度是影响钢结构厂房使用性能的重要因素之一,对于钢结构的变形来说,温度有着重要的影响。通常而言,环境温度如果出现较大的变化,则结构便会发生变形,从而产生温度应力。如果钢结构的平面设计尺寸比较大,把温度应力控制在合理的范围内,需要在钢结构厂房的横向或者纵向设置一定的温度伸缩缝。

伸缩缝的设置,首先需要把钢结构划分为一定的结构单元,按照相关的结构标准划分成一定数量的结构单元。温度伸缩缝的处理,通常采用单柱处理或者双柱处理的方式,但是对于钢结构纵向的温度裂缝,则需要在屋顶的支座上设定滑动支座。在框架结构交接的部位,温度伸缩缝应用槽钢夹板滑动的方式或者椭圆孔滑动的方式来设定。

2.2.2 立面的优化设计

从建筑表现方面来讲,钢结构厂房有四个特征,也就是线条、规模、变化和色彩。所以,在设计钢结构厂房时,需要充分发挥色彩压型钢板的表现力,从而有效克服传统混凝土钢筋厂房色彩不足的缺点。而从工艺角度来讲,钢结构厂房由于受到的限制比较少,所以体型变化比较多样。而对于节点的处理,由于处理的工作量比较大,所以工程的造价会比较高。因此,在钢结构厂房设计中,必须最大程度上发挥跳跃性色彩的表现张力,有效利用冷色调等,尤其是注意关键出口、外天沟等的设计,完善钢结构厂房的立面设计。

2.2.3 支撑结构的优化设计

钢结构厂房支撑结构的布置,需要综合考虑厂房、设备、柱网设置、结构形式、和高度等因素。一般情况下,不需要考虑结构的檩条,而把檩条设置在垂直的支撑上。而对于无檩结构而言,则需要连接屋架和屋面,实现上弦支撑的目的。但是在设计钢结构厂房时,由于受到技术条件限制,需要考虑安装要求,把上弦横向支撑系统设置在屋架上弦部分、天窗架上弦部分。

同时,如果钢结构房屋屋架间距大于12m,或者设有振动设备和桥式吊车时,则需要设置纵向水平支撑系统。

2.2.4 屋面优化设计

钢结构厂房的屋面设计,主要是为了防水。钢结构屋面设计需要考虑三个因素:①屋面的坡度;②单坡屋面的长度;③天沟的形式。而从钢结构厂房实际来看,厂房屋面的坡度在2～3%之间,根本不符合施工的要求。综合考虑节点处理、材料性能和技术条件等因素,屋面的坡度设置为5%。而对于寒冷的地区,其坡度需要适当增加。

此外,钢结构厂房屋面的坡度设计还应考虑当期的降雨量、温差变化等。相关的资料显示,单坡屋面的长须控制在70m以下,以保证厂房使用功能的正常发挥。而如果超过70m,则需要特殊处理。

当前,两种钢结构屋面设计方案应用比较广泛:①双层彩色压型钢板;②具有保温层、卷材防水层等的复合柔性屋面系统。

2.2.5 隔热与防火优化设计

钢结构对温度比较敏感,其导热性能比较好,所以在设计时,应当考虑保温与隔热处理,以降低能耗,满足设计工艺要求。现阶段,如果钢结构表面的温度超过150℃,则有两种优化方案:①采用厚涂型的防火材料,完善厂房的隔热与防火设计;②利用钢构件外包耐火砖、混凝土或者硬质防火材料等,提高厂房的隔热性能。

3 结语

当年,钢结构在生产企业的厂房设计中有着广泛的应用,其作为一种新型的结构,在企业生产中发挥着重要的作用。所以,这就要求我们必须重视钢结构厂房的优化设计。在本文中,笔者结合自身的工作实际与理论知识,首先分析了钢结构厂房的特点与优势,然后从钢结构厂房的设计现状与优化设计措施两方面分析了钢结构厂房的设计现状与优化。

参考文献

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结构优化设计研究现状 篇5

王 雄 杰0903309-272010-11-20

摘要 ：砖混结构由于选材方便、施工简单、工期短、造价低等特点，多年来砖混房屋是我市当前民用建筑中使用最广范的一种建筑形式。经笔者多次民间走访调查并结合所学知识对我市民用房存在的问题进行了分析，并探讨了一些我市目前可行的抗震措施。现将一名建筑学习者的实践成果分述如下：

现今我市村镇房屋抗震存在许多的问题

我市村镇房屋很多并没有按照《建筑抗震设计规范》的具体要求进行抗震设计，在抗震概念设计、结构抗震计算和抗震构造措施三个方面均存在问题，严重者存在毫未进行抗震设计，从而房屋的抗震能力极低。经考察，由于年久未修，部分房屋已出现整体倾斜、砖瓦剥蚀等现象。针对目前我市农村建筑抗震设防标准低的现象，现重点从抗震概念设计方面分析具体存在的抗震问题。场地选择不当

许多山区及丘陵地区村镇房屋建在山尖及地形变化剧烈的不利地方，由于地形对地震波的放大作用使地震作用加强。如2003年7月21日云南大姚地震中位于山尖及地形变化剧烈的地方房屋基本倒塌。结构布局不合理

村镇房屋中相当一部分是由屋主根据主观意愿自行设计，往往造成建筑平面布置不规则如“∟”型、“π”型，再加上房屋本身没有进行抗震设计，地震时受扭转效应的不利影响，从而导致房屋容易发生破坏倒塌。结构体系有缺陷

村镇房屋多为纵墙或横墙承重，然而由于连接构造措施不当，不能有效的传递荷载。如木结构的门式和三角形屋架之间无斜撑，仅靠铆榫和檩条连接不能形成刚接点，在地震作用下容易松动变为铰接点，整个屋面系统成为一个几何可变体系，从而在地震作用下容易发生倾斜或倒塌。又如山墙搁檩，即檩条直接搁在山墙上，而山墙一般较高，整体稳定性差，地震时山墙容易内闪倒塌，导致屋盖塌落造成住户被活埋死亡，人员伤亡惨重。非结构构件的连接构造措施不够

大多数村镇房屋有出屋面的烟囱、高门脸、女儿墙等局部突出部分，这些构件与结构主体没有有效的拉接措施，加上地震作用的鞭梢效应，地震发生时易倒塌，从而砸伤人员。材料强度不能保证

村镇房屋主要为土坯房屋、木结构房屋、石结构房屋、砖土混合承重房屋等砌体结构房屋，材料质量和强度没有保证。如砖土结构房屋中砖和土坯之间粘结强度低；木构件容易发生腐朽，且没有任何的防腐措施，这些房屋在地震作用下容易由于强度不够而发生破坏。施工质量差

由于农村经济原因，施工人员多数为当地的土匠，缺乏技术知识，不能保证质量，从而不利于结构的安全性。如砖砌体结构的交叉处未同步砌筑，不配置拉接筋。先浇构造柱再砌筑砖块，从而影响结构的整体协同工作能力。又如砌墙过程中多采用“带刀灰”，砂浆只涂在砖边沿，未填饱满，有的墙面砌筑很不平整，形成鼓包墙。居家装修时的薄弱认识

在房屋的设计中，有许多的结构都是按照房屋的抗震需要建造的。屋内有些地方是坚决不能改动的，否则一旦破坏房屋的整体防震设计，在遇到地震时就极为危险。尤其是目前有不少临街的居民楼将一层、二层改为商铺的。一般情况下，如果一楼的一户居民将承重墙拆除，将会导致该楼的抗震性能减弱和负荷应力出现异常，如果此时发生强震，楼梯很可能会发生整体坍塌。另外，承重墙也不能随意凿洞，屋内墙的门窗尺寸也不能随意拆改，扩大原有门窗尺寸或者另建门窗，这也有损于房屋的抗震性。

提高农村建筑抗震性能的对策和措施

地震作用具有不可预测性和巨大的破坏性，加之我国农村人口众多，由于经济等原因村镇房屋抗震能力极低，一旦地震发生会造成巨大的人员伤亡和经济损失，在新时期全面建设社会主义新农村，保障人民生命和财产安全刻不容缓，村镇建筑需采取相应的对策和措施。

1，科学布局建筑平面和立面

建筑平面和立面的规整性是整个结构设计中一个十分基础、重要的内容。抗震设计中，建筑平面、立面宜尽可能简洁、规则，结构质量中心与刚度中心相一致。在实际工程设计中，应避免头重脚轻，房屋重心尽可能降低，避免采用错落的立面，突出屋面建筑部分的高度不应过高，以免地震时发生鞭梢效应，同时应控制好结构竖向强度和刚度的均匀性。

2，增强砌体房屋的刚度及整体性

房屋是纵、横向承重构件和楼盖组成的一个具有空间刚度的结构体系，其抗震能力的强弱取决于结构的空间整体刚度和整体稳定性。刚性楼盖是各抗侧力构件按各自侧移刚度分配地震作用的保证。现浇钢筋混凝土楼板及屋盖具有整体性好、水平刚度大的优点，是较理想的抗震构件，可消除滑移、散落问题，增加房屋的整体性，增大楼板的刚度。较强的楼板及屋盖水平刚度使荷载传递具有良好的条件。平面上，当上下墙体不对齐时，现浇楼板及屋盖能起到一定的传递水平力的作用，同时楼、屋盖现浇增加了楼板对墙体的约束。因此，采现浇楼、屋盖是一种较好的增强楼房结构空间刚度和整体稳定性的方法，在适当的部位增设构造柱，并配置些构造钢筋，也能达到增强结构整体性的作用；另外，设置配筋圈梁可限制散落问题，增强空间刚度，提高结构整体稳定性，从而提高房屋的抗震性能。

值得一提的是，基于我市人均生产总值在同类城市中比较落后等原因，在考虑成本因素时而采取砌体结构的建筑物，其设计必须按照抗震规范要求执行，且严禁使用预制板。2008年汶川震害实例证明，预制板与圈梁、墙体之间的连接非常脆弱，在地震作用下，它们的连接极易失稳发生脱节，更为严重的是一块预制板的塌落会引发多米诺骨牌效应的多层楼板的连续倒塌与叠压，造成巨大的人身伤亡！

3，合理布置纵墙和横墙

砖混房屋的主要承重构件是纵、横墙体，在地震中主要由于承重纵、横墙在地震力作用下产生裂缝，严重者会出现倾斜、错动、倒塌等现象，进而使房屋造到破坏；所以合理布置纵、横墙对提高房屋抗震性能起到很大的作用。砖混房屋应优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系，纵、横墙的布置宜均匀对称，沿平面内宜对齐，沿竖向应上下连续，同时一轴线上的窗间墙宽度宜均匀。房屋的空间整体刚度和整体稳定性决定着房屋抗震能力的高低。

4，适当增加墙体面积与合理提高砂浆强度

历次震害表明，砖混房屋的抗震能力与墙体面积大小及砂浆强度等级高低成正比，提高墙体面积、砂浆强度等级能有效地提高房屋的抗震能力，是减轻震害的有效途径之一。

5，有效设置房屋圈梁和构造柱

多次震害调查表明，圈梁是砖房的一种经济有效的措施，可提高房屋的抗震能力，减轻震害。在砖混房屋中设置沿楼板标高的水平圈梁，可加强内外墙的连接，增强房屋的整体性。由于圈梁的约束作用使楼盖与纵、横墙构成整体的箱形结构，能有效地约束预制板的散落，使砖墙出平面倒塌的可能性大大降低，以充分发挥各片墙体的抗震能力。

结束语

结构优化设计研究现状 篇6

关键词：钢夹层板；船体结构优化；强度

钢夹层板复合材料刚性大、强度高、重量轻，而且经济环保、舒适性好，逐渐成为船体结构的重要材料，需对钢夹层板船体结构予以优化设计，深入研究。

1.钢夹层板船体结构优化设计原理

强度是复合材料推广应用过程中必须解决的关键问题，钢夹层板材料也不例外，若钢夹层板船体结构强度设计不当，则易对船体的安全性和使用效益构成威胁。因此通过综合分析、合理对比夹层板理论、单层板等效、有限元结构等钢夹层板船体结构分析方法，以及屈曲强度和极限强度分析方法后，得出了优化钢夹层板船体结构的设计原理，具体阐述如下。

对于船体而言，高航速和大荷载是其重要的技术指标，所以如何在满足刚度和强度的基础上实现厚度优化尤为关键，简而言之，就是设计的夹层板和芯层厚度，既要符合屈曲、强度、频率、位移、尺寸等约束要求，也要确保结构重量最轻[1]。这就需要我们合理计算强度因子在满足R<1的条件下单位夹层板的重量参数的最小值，即 的极小值，其中 、 、 、 、 、 分别代表顶板厚度、底板厚度、芯材厚度、表板密度、芯材密度和胶层重量，且设 / =k，当其满足4.2 / -3.4时可得到最小的F值，表示可实现钢夹层板船体结构设计的优化，但在实际设计中应妥善处理剖面模数与结构重量的矛盾。

2.钢夹层板船体结构优化设计及其强度研究

2.1.结构优化设计

为更为直观的了解钢夹层板船体结构优化设计及其强度性能，在此以一钢制油船为例加以分析。已知该母型船为无限航区的双壳油船，总长、垂线间长、型宽、型深、设计吃水分别为144.0、134.5、21.5、11.3、7.65（m），吃水方形系数为0.8177，排水量和压载舱容分别为16660和6610（m?），中拱和中垂最大静水弯矩分别为958516和-1010319（kN.m）[2]；然后基于上述提及的结构优化原理和实际需要对该船的原有结构作了改装设计，其中甲板、内外壳、内外底、斜板等为重点优化部位，经初步分析发现，优化后的钢夹层板船体结构的重量有所减轻；为进一步了解结构优化结果以及其强度性能，则构建了有限元模型，但为实现非对称性载荷工况，除了涉及端部横舱壁外，还应在模型中引入船体左右部位的舷结构。

具体而言，该模型重要采用多点约束用于确定边界条件，即一方面使端面的纵向单元与位于中心线中和轴位置的独立点保持一定的相关性，并对位于后端的独立点加以x轴位移约束；另一方面则借助一端为刚性固定的弹簧单元模拟边界条件，以此确保自由端面有一个假定的平断面，但弹簧单元需分别设置在甲板、外板、内壳、内底板、舷侧、舱壁位置（结构模型见图1）[3]；最后进行了施加载荷操作，包括船舷外水作用产生的压力、货油压力、端面弯矩等，以便科学验证优化后的船体结构强度效果。

图1 钢夹层板船体结构模型及其边界条件

2.2.强度评估研究

一是针对屈服强度计算，依旧采用许用应力直接计算刚夹层板船体结构的实际承载能力，此时便需要根据 这一等效应力估算屈服强度（此时的单元等效应力等于基准应力），其中 和 分别代表单元正应力， 代表单元剪应力，通常钢夹层板的面板及其支撑构件处的基准应力不得超过235kN/mm2，而芯材的基准应力和层间剪切力应分别小于芯材强度和最小粘接力；经评估对比钢夹层板船体结构中的面板屈服强度和局部芯层强度，即甲板、内外底、斜板、内外壳的对应工况、最大应力、许用应力、实际屈服度、剪切应力等参数，发现优化后的船体与普通船体有着类似的应力分布，且高应力位置也大体相同，但在整体上有着较低的应力水平。建议在以后的钢夹层板船体结构优化中，还应适当降低双层底高和斜板宽度，以强化斜板设计效果，并合理减小面板厚度以期改善甲板的应力效果。

二是针对屈曲强度计算，考虑到钢夹层板船体结构的屈曲强度需要满足 / ≥1.1这一条件，其中 和 分别代表单面受压载荷和梁弯曲应力，故需要结合有限元法解决复杂的边界问题和受载问题，优化后的船体结构有着较强的屈曲强度。

最后经综合对比分析得出，优化后的钢夹层板船体结构中的甲板、内底和外底的梁剖面模数有一定的减小，甲板、内外底、内外壳、边舱斜板的质量分别降低了13.12、6.56、70.55、84.25（吨），而且成本节约效果明显。故上文所述的钢夹层板船体结构优化效果较好，强度性能有所提高。

结束语：

随着钢夹层板在船舶和海洋领域应用范围的不断扩大，对其船体结构设计及其强度也会有越来越高的要求，进一步提高钢夹层板在船体中的应用效果和价值，以强度因子为切入点，探索合理的优化方法。

参考文献：

[1] 刘志慧.钢夹层板船体结构强度分析方法研究[D].哈尔滨工程大学，2011（05）.

[2] 周萍.钢夹层板船体结构强度及振动性能分析[D].哈尔滨工程大学.2011（09）.

结构优化设计研究现状 篇7

高层建筑最容易受到自然灾害的破环, 尤其是地震灾害。在世界范围内的高层建筑史上, 受到自然灾害最为严重的就是地震灾害, 地震存在着一定的随机性和不确定性, 因此高层建筑的抗震结构设计主要是为了防止地震发生所造成的危害。高层建筑科学的抗震结构设计、正确的施工以及良好的使用材料对于防止高层建筑垮塌具有重要性。在发生地震区域, 那些没有倒塌或倒塌不严重的高层建筑, 在查看它的建筑资料是会明显发现它的抗震结构设计比其他已倒塌高层建筑的抗震结构设计要科学的多。高层建筑倒塌会带来严重的人员伤亡和巨大的财产损失, 因此, 做好高层建筑的抗震结构优化工作是非常有必要的。

1 高层建筑抗震结构设计的主要内容

在我国的《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定:10层及10层以上或高度超过28m的钢筋混凝土结构称为高层建筑结构。当建筑高度超过100m时, 称为超高层建筑, 30层左右接近100m称为高层建筑, 而50层左右200m以上称为超高层。我国对于高层建筑房屋的防裂度一般为8度, 相当于6级地震。高层建筑的抗震结构必须具有高强的承载力、刚度、以及稳定性能, 在发生地震灾害时, 要求地震等级低于6级以下, 高层建筑在承受剧烈抖动时不易倒塌。我国《建筑结构抗震规范》中规定:建筑设计应该符合抗震结构设计的概念, 不能采用严重不符合设计要求的方法和设计。建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称, 并应具有良好的整体性;建筑的立面和竖向剖面宜规则, 结构的侧向刚度宜均匀变化, 竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小, 避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。

2 高层建筑抗震结构的设计现状

我国从上世纪八十年代开始兴起高层热, 改革开放以来, 我国对外贸易越来越频繁, 许多国外企业开始到中国投资建设, 居民的生活条件也要求得到改善, 因此高于100m以上的高层建筑开始建设。而随着高层建筑的不断兴起, 高层建筑的抗震设计结构开始受到人们的重视。目前我国高层建筑抗震结构主要存在以下几种问题。

(1) 只注重理论优化

建筑设计师的设计理论大多是在学校学习的, 我国高校的教育方式普遍存在重理论而轻视实践的问题, 因此造就建筑设计师在设计师也只是注重理论抗震结构, 而不去实地考察分析是否符合标准设计。

(2) 优化的目标还不完全符合抗震设计要求

目前我国的高层建筑抗震理论还与外国的理论存在一定差距, 我国高层建筑抗震设计虽然经过20多年的发展, 但是存在的问题隐患有很多, 当前我国的高层建筑抗震设计还不能完全抵御六级地震的危害。

(3) 只注重抗震结构优化, 忽视整体建筑要求

我国高层建筑抗震结构只注重抗震这一部分的优化, 却忽视了建筑是一个整体, 抗震结构只是其中的一部分, 建筑设计师在设计抗震结构优化时只考虑了单纯的对抗震结构优化, 没有考虑到是否符合整体要求。

3 高层建筑抗震结构的优化方法

对于当前我国高层建筑结构设计现状以及存在的问题, 笔者提出自己的看法与意见方法。

(1) 把建筑优化理论与实践相结合

我国的建筑设计是应该实践到工地上去, 去一线考察与分析, 不同的建筑在不同的地方建设, 其抗震结构设计也会不一样。我们要具体问题具体分析, 针对不同的建筑采取符合实地要求的设计方法。

(2) 把高层建筑设计融合到整体建筑设计中去

建筑是一个整体, 人们评论建筑也是从整体上去分析的, 而高层建筑的抗震结构是建筑结构中最重要的一环, 我们要根据建筑的整体要求, 具体分析我们设计的抗震结构是否是这一建筑中最为符合的抗震结构。

(3) 科学运用建筑材料

建筑材料的选择对于高层建筑来说是至关重要的。建筑材料的质量好坏将直接影响着建筑的安全与抗震性能, 选择质量好的建筑材料, 符合建筑设计要求的建筑材料有利于提高建筑的抗震性能。

4 结语

随着社会经济的发展, 科技的进步, 人们对于建筑的抗震性能要求越来越高, 高层建筑的抗震设计结构也会更完善。为了防止地震灾害对于高层建筑造成更大伤害, 我们要不断完善高层建筑抗震结构设计, 不断把理论与实践结合起来, 根据不同地形, 不同建筑, 具体分析高层建筑的抗震结构设计。

参考文献

[1]孙建超, 徐培福, 肖从真, 孙慧中, 王翠坤.钢板-混凝土组合剪力墙受剪性能试验研究[J].建筑结构, 2008 (06) .

结构优化设计研究现状 篇8

资本结构是指企业长期债务资本与权益资本的构成比例关系,也就是一个公司的筹资结构。资本结构是分析财务风险、确定筹资策略、利用财务杠杆的前提。上市公司资本结构是否优化合理,会直接影响公司的行为及公司的价值,影响投资者的利益和证券市场的健康发展。企业资本结构优化是指通过对企业资本结构的调整,使其资本结构趋于合理化,达到即定目标的过程。对于企业实行资本结构优化战略管理,使企业能够在资本结构优化的过程中,建立产权清晰、权责分明、管理科学的现代企业制度,优化企业在产权清晰基础上形成的企业治理结构,对企业改革的成败具有重大的意义。对于股份企业上市公司,在资本结构优化的过程中,建立一种使约束与激励机制均能够有效发挥作用的合理的企业治理结构,促使企业实现企业价值的最大化,对于我国刚刚起步的资本市场的发育与完善而言,也是相当重要的。

二、我国上市公司资本结构现状

我国上市公司资本结构一个突出特点就是偏好股权资本。从长期资本来源构成看,企业长期负债比率极低,有些企业甚至无长期负债。特别是在连续数次降息,在债务成本不断下降的背景下,长期债务比例不升反降,并一直维持在低水平上,这说明我国上市公司具有明显的选择股权融资方式的偏好。一直以来,我国许多企业想尽一切办法去上市的最重要目的不是加快企业改制、优化资本结构,而是获取最低成本的资本来源。

我国上市公司资本结构调整弹性小,是资本结构的另一缺陷所在。这一现象是重股轻债的衍生现象,具体表现在融资工具的选择上,可转换债券、可赎回债券等很有弹性的融资工具,没有得到有效的利用。而且千篇一律,融资标准过于一致,股权结构设计大多呈现出相对封闭的特点,使资本结构显得缺乏灵活性和柔韧度。

三、上市公司资本结构的特点分析

(一)融资顺序逆转

严重依赖外源融资。根据融资顺序偏好理论和西方有效资本市场的融资顺序,先内部融资、其次无风险或低风险的举债融资、最后是新的股权融资,而我国上市公司的融资顺序则与之几乎相反。从下表中可以看出,内源融资在上市公司融资中所占比重非常低,不达20%,远远低于外源融资。这说明我国上市公司生产经营规模的扩大并非主要依靠其自身的内部积累,我国上市公司创造盈利和自我扩张的能力还有待大幅度提高。

(二)外源筹资比例不平衡

股权融资优先于债务融资,具有强烈的股权融资偏好。从上表中分析我国上市公司的总体融资行为,不难发现我国上市公司明显对股权融资比重更加偏好。据上表可知,我国上市公司股权融资占外源融资70%,股权融资的比重远高于债权融资,存在严重的重股轻债现象,这有驳于优序融资结构原理。目前,我国的非上市公司偏好于争取首次公开发行上市公司的再融资则偏好于配股和增发新股,。如果不能如愿,则会改为具有延迟股权融资特征的可转换债券,设置宽松的转换条款,从而获得股权资本,不得已才通过债权融资。

四、上市公司资本结构现状的成因

(一)对负债经营缺乏正确认识

长期以来,我国企业自有资本不足,资金短缺主要依赖大量举债来维持生产经营,导致企业负债经营比例极高,以至企业大都“谈债色变”。因为过去的高负债率所造成的压力而影响到现在的经营决策,使经营者认为债务利息侵占公司利润,或害怕经营不善而导致财务危机,一旦被改组上市,成为股份制企业,首选的筹集资金方式就是大量发行股票,增加所有者权益资本,而不愿或很少通过举债方式筹集资金。

(二)我国的股市正处于不断发展和完善中

虽然中国从2001年开始就实行了核准制(2000年3月16日,中国证监会发布了《关于发布<中国证监会股票发行核准程序>通知》,标志着我国股票发行体制开始由审批制向核准制转变。2001年3月17日,我国股票发行核准制正式启动),但由于证券监管机构长期对股票发行实行额度控制、审批制,所形成的一种制度惯性仍然存在,致使股票市场的求大于供,对于企业来讲“上市”是稀缺资源,一旦上市公司就会充分利用这个资源,所有再融资时股权融资必是首选。

(三)股权融资成本较低是企业偏好

股权融资的经济动力。债务融资的付息“硬约束”和股权融资分红“的软约束”,使我国债务融资的成本大大高于股票融资。

(四)过度投机行为加剧了股票市场的非理性发展

长期以来,股票发行的“卖方市场”和“赚钱效应”,使股票发行到目前为止还很少遇到发行失败先例。因而在上市时追求高额的股票发行,上市后推出高比例的配股,发生亏损后采取股权重组来吸收新资本的注入,这种“一年发股、二年配股、三年重组”已成为众多公司股权融资的真实写照,也正是市场治理机制失衡的反映。

(五)债券市场发展极其缓慢

中国在资本市场上长期存在“强股市、弱债市;强国债、弱企业债”的结构失衡特征。一方面,股票市场与债券市场发展具有不平衡性。我国企业债发行规模明显小于其股票发行规模。另一方面,企业债券在整个债券市场中所占的规模一直很小。以2006年债券发行的结构为例,企业债发行只有935亿元,占所有债券发行的1.8%,而政府债券和金融债券分别是6673.3亿元和7738.1亿元,分别是企业债的7.14倍和8.28倍。

五、我国上市公司资本结构的优化策略

为了优化上市公司资本结构,实现公司价值最大化的目标,应从以下几方面入手,积极构建上市公司最优资本结构。

(一)完善资本市场

修正资本市场功能定位,提高运行效率。要弱化资本市场的政策性功能,开发和发挥其资源配置等其他功能。进行结构性调整,建设多层次、多品种的资本市场。在加快股票市场发展的基础上,加强我国公司债券市场的建设,扩大其他金融产品的试点和发展,为企业提供更多的融资工具。积极发展和规范产权中心、证券交易中心等形态的交易市场及网上交易。推进资本市场的制度建设和改革。积极推行经理人持股的激励机制。通过完善相关法律制度,发展资本市场,培育经理人市场,逐步为经理人持股机制的有效实施提供基本的制度环境。同时,借鉴经理人股票期权的思路与方法,根据我国目前的法规,设计出既能保证在现阶段使用,又能保证我国与国际接轨后实现顺利过渡的经理人股票期权方案。

(二)完善上市公司治理结构

我国上市公司经营者考虑自身的利益,不愿大量举债经营。针对这种情况,应完善公司治理结构,加强对经营者的约束和控制。改变股权过度集中的状态,培育多种形式的持股主体。股权过度集中不仅使小股东的权益受到损害,而且在我国目前的体制下,也是内部人控制问题产生的重要原因,特别是在股权过度集中于国家股股东的情况下更是如此。因此,必须改变这种状况,同时还应该放宽对个人持股的限制,培育多种形式的持股主体,以利于建立有效的公司治理结构。

(三)提高上市公司盈利水平

我国上市公司要不断提高自身积累能力,开拓上市公司内部融资渠道。有证据表明,在主要的工业化国家中,内部融资是其最重要的融资方式。我国上市公司不敢举债的一个主要原因就是资产盈利水平低下、缺乏效率,上市公司自我积累机制严重弱化。为此,要增强内部融资的能力,就必须努力提高上市公司资产盈利水平,增加上市公司的自我积累,增强抵御风险的能力。

(四)调整上市公司负债结构

上市公司负债结构主要从负债期限结构和债源上调整流动负债与长期负债的比例。上市公司可通过债务重组减少流动负债,适当增加长期负债的比例。同时,在符合债券发行条件的情况下,公司可考虑发行债券。选择债券融资有以下原因:首先,目前我国债券利率水平非常低。现行企业债券管理办法规定,企业债券的利率不得高于银行相同期限居民储蓄定期存款利率的40%,这是企业债券利率的上限。按上市公司债券利息不得高于同期银行存款利率的40%计算,一年期的债券利率水平大约在5.8%左右,比银行一年期的贷款利率7.47%(2007年12月21日)还要低;其次,预测未来几年通货膨胀会逐渐上升,可实现最低成本的中长期融资。

(五)充分发挥财务杠杆效益

负债筹资在上市公司财务管理中主要有财务杠杆作用、节税作用,但同时债务的增加也会导致财务风险和代理成本的产生。当上市公司的总资产收益率大于其借款的成本时,超过成本的部分就使得净资产收益率提高,此时可适当提高负债融资比例,以取得杠杆效应。负债融资,按其需要资金的原因分三种情况:一是产品具有良好市场需求,公司需要资金扩大再生产。这种情况主要看其业绩能否保持持续的增长,只要上市公司销售规模不断扩大,市场占有率持续提高,盈利不断增加,就可提高负债以带来高收益。二是上市公司规模扩张,进行收购兼并等原因需要资金。这类公司应着重考察其兼并收购项目的盈利能力及发展前景。若项目前景好,能给上市公司未来带来好的效益和现金流入,则有必要增加负债实施计划;否则就需谨慎。三是上市公司因效益低劣,前期借入大量债务需偿还而需要资金,这类公司应降低负债比例,减少利息支出,以缓解公司债务压力。

六、结论与启示

我国上市公司还处在建设和发展之中,其资本结构还存在不够合理和完美之处,这是由内部和外部经济环境因素共同影响所致。资本结构决策从属于企业的财务战略决策,对资本结构的优化和战略管理也是对公司实行战略管理的必然要求。一般而言,资本结构的优化,其标志:一是功能强。各种资本都能发挥应有的作用。二是周转快。在经营中各种形态资本能较快地依次转换其形态。三是增值多。通过经营能实现较多的资本增值。四是抗风险。能抵御异常情况而减少损失或带来收益。我国上市公司应按照这样的资本优化标志,对不良资本结构不断进行优化,才能提高公司价值,实现公司价值最大化。

摘要：目前,我国上市公司资本结构方面突出的问题就是偏好股权资本、严重依赖外源融资,对负债经营缺乏正确认识。其成因是股权融资成本较低,股票市场的非理性发展,债券市场发展缓慢等所导致的。为了实现公司价值最大化的目标,应积极构建上市公司最优资本结构,完善资本市场和上市公司治理结构,充分发挥财务杠杆效益,调整上市公司负债结构,提高上市公司盈利水平,从而实现公司价值最大化。

关键词：上市公司,资本结构,优化

参考文献

[1]沈艺峰.资本结构理论史[M].广东:厦门大学出版社,1999.

[2]冯根福,吴林江,刘世彦.我国上市公司资本结构形成的影响因素分析[J].经济学家,2000,(5).

[3]徐宁,谭安杰.控制权收益及其资本化趋势[J].会计研究,2003,(9).

[4]颉茂华.国上市公司资本结构特征、成因及优化途径分析[J].中国学术研究,2006,(3).

[5]吴晓求.中国上市公司:资本结构与公司治理[M].北京:中国人民大学出版社,2003.

[6]高强.中国上市公司融资行为研究[J].会计研究,2003,(10).

[7]叶晓铭.EVA对上市公司资本结构影响的实证研究[J].经济研究,2004,(11).

建筑结构设计的优化设计研究 篇9

1 建筑结构设计优化理论分析

当对具体的研究项目问题进行分析之时, 不仅应当针对设计的可靠性和安全性进行研究, 同时还需要对基本的建筑使用功能进行考虑, 尽可能的实现建筑设计的美观性和结构性, 进而促进整个项目的优化。所以, 在实践的工作之中不仅需要运用相关数学方式和数学理念, 加强原则的分析, 同时还应当对各种不同的设计方案进行综合性的比较, 最终得出最佳的、最优秀的设计方式, 进而满足预期的设计目标。

根据上述的分析, 也可以从中发现建筑结构设计优化的基本理念和思想, 而房屋的结构设计是相关优化方案在实践当中的最佳体现, 主要的设计范围包含有房屋的熊结构、维护结构、房屋建筑的细节部位设计方案以及整个框架系统等, 在实践之中还需要充分的考虑到整个建筑的造型、布局方案、选型原则以及受力等方面的情况, 结合造价的基本原则, 结合施工当地的环境以及资源状况, 给予最佳的设计原则, 并且在确保了房屋建筑功能性的基础之上力求促进经济效益的优化, 实现方案的改良。为了全面的适应当前时代的建设和发展, 针对建筑的基本结构类型和选型还应当进行必要的革新与改良, 对于设计技术人员来讲, 应当在确保了建筑结构具有安全性的基础之上, 考虑新的结构形式, 而对于设计工作来讲, 应当尽可能的依照设计的基本原则以及刚度中心的差异等等, 结合整个建筑规则和对称性的要求, 使得设计的意图和中心思想得到充分的展现。最后, 还需要针对整个建筑的荷载力情况进行分析, 避免建筑在承受外部巨大压力的情况之下产生扭转效应。在充分的满足了建筑的功能性条件和要求的基础之上, 力求促进建筑的竖向设计更加标准、更加科学, 使得承重件可以上下贯通。而在结构性的设计方案当中, 为了尽可能的减少分析方面的难度和结构方面的差异性, 还应当考虑懂啊经济性方面的指标, 避免使用转换层的设计结构, 对竖向的刚度进行严格的要求, 避免整个建筑出现应力过度集中的现象。

2 建筑结构设计优化的现实意义综述

根据上文针对当前建筑结构设计优化的基本理论和设计方案进行综合性的分析, 可以对实践操作当中应当注重的几点原则和整个建筑结构设计优化的思想有着全面的了解。在相关工作当中要想实现对结构性的全面优化, 还应当充分的了解到方案和体系制度的重大意义, 在满足了整个建筑美观性和功能性的基础之上, 合理的降低造价、科学的对整个建筑进行控制和管理。对于建筑的业主方面来讲, 降低工程造价、减少项目的投资并且获取最大的利益是一个共同的追求, 所以, 还应当全面的对建筑结构的可靠性、科学性以及安全性进行分析, 实现对结构的全面优化。

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建筑的工程造价 (6~35%) 。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, 还能够实现对建筑结构设计的经济性与实用性。

3 建筑结构设计优化的基本步骤

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。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、钢筋的截面积以及相应的失效的概率的函数, 使得工程造价最少。

对于房屋的结构的设计优化来说, 必须确保结构的可靠度, 来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, 确保每个约束条件都必须满足相关要求, 以实现最佳的设计。在设计过程中必须对细部的结构进行相应的设计优化, 例如, 在现浇的混凝土异形的板料, 其拐弯处容易开裂, 我们可以简化成矩形板, 然后再合理的选择钢筋, 在满足其结构的基本要求条件下, 达到既安全又经济的目的。

4 结束语

综上所述, 对于现代化的建筑设计来讲, 不仅需要确保其基本的使用价值和功能性, 同时针对外观的设计还应当具有一定的美观性, 以进一步的增强整个建筑结构和设计方案的价值。另外, 便于施工操作、安全、可靠、实用以及经济, 是当前城市建设对于建筑项目的基本要求, 在实践的项目当中还应当全面的对整个项目的水准进行优化, 以求对空间和相关资源的合理利用, 尽可能的增强建筑的可靠性和安全性, 增强结构的合理性。随着人们的生活水准不断提升, 对于建筑的安全性和实用性要求也在不断的提高, 所以还需要充分的运用现有资源, 使得设计的水准和效益得到不断的增强。针对房屋的经济性设计, 需要在确保了安全性与合理性的基础之上, 加强整个结构的设计美观性, 对方案进行不断的优化, 促进工作的改进。

参考文献

[1]辛海虹.结构设计优化技术与其在房屋结构设计中的应用[J].价值工程.2010 (27) .

[2]刘成义.论建筑业在工业经济发展中的应用[J].现代商业.2008 (09) .

配筋路面结构优化设计研究 篇10

银英公路设计标准为省道主干线, 为改扩建道路, 是英德市主要干道之一, 其建成后对于其经济发展非常重要。道路主要技术指标: (1) 道路等级:四车道二级公路; (2) 计算行车速度:40公里/小时; (3) 路基、路面宽度:路基宽度17米, 路面宽度14米; (4) 路面等级:连续配筋混凝土高级路面; (5) 设计荷载及参数;自然区划:Ⅳ7;设计标准轴载:BZZ-100;设计基准期:30年;标准轴载累计作用次数:5.0×107。

2路面结构优化设计

2.1路面设计方案

我国规范规定:连续配筋混凝土路面的纵向配筋设计要求符合下面三项设计标准:

(1) 混凝土面层横向裂缝的平均间距为1.0~2.5m; (2) 裂缝最大宽度为1mm; (3) 钢筋的最大拉应力不超过钢筋的屈服强度。

拟建道路采用强夯法地基处理后采用连续配筋混凝土路面 (简称CRCP) 路面方案, 路面结构组合:28cm连续配筋混凝土面层+0.05cm沥青下封层、基层采用20cm 6.0%水泥稳定砂砾基层+16cm5.5%水泥稳定砂砾底基层+15cm级配碎石垫层+处理路基。配筋方案:布设单层钢筋网:纵、横钢筋均采用HPB335;纵向钢筋直径采用20mm, 纵向配筋率采用0.7%;横向钢筋直径采用12mm, 钢筋间距采用70cm;钢筋采用HPB335螺纹钢筋;端部采用地梁锚固结构形式。路面结构预留5m的横向切缝, 切缝宽度达到3~5mm。

2.2路面结构优化设计

2.2.1路面结构优化设计

针对银英公路路面结构建立有限元模型分析路面结构组合的受力情况, 依据设计资料路面结构分为四层, 各结构层层间连续。ABAQUS建模参数:混凝土面板厚度h1=0.28cm, 模量E1=30GPa、泊松比μ1=0.15、密度2400kg/m3、导热系数1.5W/ (m·K) 、比热容0.980KJ/Kg°C;基层厚度h2=20cm、模量E2=1800GPa、泊松比μ2=0.20;底基层厚度h3=16cm、模量E3=1600GPa、泊松比μ3=0.20;垫层厚度h4=15cm、E4=500GPa、泊松比μ4=0.25;土基模量E5=100MPa、泊松比μ5=0.28;纵向钢筋:配筋率0.7%、直径d1=20mm、间距a1=20.5cm模量E6=210GPa、泊松比μ6=0.10;横向钢筋:直径d2=12mm;间距a2=70cm、模量E7=210GPa、泊松比μ7=0.10;钢筋采用HPB335螺纹钢筋;荷载类型选用BZZ-100单轴双轮组标准荷载, 调查资料计算累计轴载次数为5.4×107次, 依据规范可知属于特重交通, 荷载作用最不利荷位处, 调查表明裂缝间距L=5m, 裂缝宽度l=5mm;温度应力计算时最大温度梯度值取Tg=90 (°C/m) 。

由表1计算结果可知, 依据公路水泥混凝土路面规范在行车荷载和温度梯度综合作用下, 不产生疲劳断裂作为设计标准, 在标准轴载作用下组合路面结构应力值临近路面疲劳破坏的临界值。在超载20%轴载作用下, 路面结构结合应力值超过路面疲劳破坏的临界值, 路面结构可能发生破坏。调查资料显示银英公路作用英德市主要干道之一, 其交通量大且属于递增状态, 超载情况也存在, 路面在使用年限内, 可能发生破坏, 进行路面设计时路面结构应有一定的强度储备, 主要从路面结构组合及配筋方面进行优化。

2.2.2配筋方案设计

合理的配筋设计, 能够有效的提高使路面结构形成整体, 提高路面受力性能, 同时能够抑制路面前期裂缝的扩展及运营中新裂缝的产生, 使路面行车舒适。银英公路CRCP路面配筋设计依据公路水泥混凝土设计规范以裂缝间距及宽度为作为配筋设计指标, 计算得到其配筋方案:纵向钢筋配筋率0.7%、直径d1=20mm, a1=20.5cm;横向钢筋直径d2=12mm、间距a2=70cm;钢筋采用HPB335螺纹钢筋;依据有限元计算结果, 对银英公路CRCP路面配筋设计作如下讨论:

(1) 依据标准轴载及超载20%轴载作用下CRCP路面结构疲劳应力计算结果可知, 在路面使用年限内, 路面结构可能发生破坏。除路面结构组合进行优化外, 配筋设计优化也是重要方面之一。

(2) 银英公路纵向钢筋直径采用20mm, 且配筋率为0.7%, 计算其钢筋间距为20.5cm, 而横向钢筋直径采用12mm, 钢筋间距为0.7cm;依据前述结论, 纵、横向钢筋形成的钢筋网间距过大, 减少了钢筋与混凝土之间的握裹面积, 减弱了钢筋对混凝土的约束。不利于结构受力。研究表明横向钢筋除起支撑作用外, 还参与结构受力, 横向钢筋直径与纵向钢筋直径差距较大, 在荷载反复作用下钢筋可能会受力不均匀, 在纵、横钢筋搭接处会产生应力集中, 易产生新裂缝及扩展。

(3) 施工资料显示:CRCP路面施工时进行了预留切缝, 裂缝宽度较大, 预留切缝的处理尤为重要, 钢筋施工时应进行防锈处理减少因钢筋及混凝土的腐蚀, 而导致路面结构破坏。

3结束语

水泥混凝土路面具有强度高、稳定性好、耐久性好等特点。同时在交通量大、轴载加重及路基不稳定等外界不利因素的作用下, 水泥混凝土路面板易发生脆性破坏;银英公路采用CRCP路段, 经过五年多运营, 路面状况良好。

参考文献

[1]白桃, 黄晓明, 李昶, 等.连续配筋水泥混凝土路面温缩应力简化公式研究[J].湖南大学学报 (自然科学版) , 2011, 38 (6) :1-5.

[2]左志武, 张洪亮, 王衍辉.连续配筋混凝土路面早期力学响应现场测试与分析[J].中国公路学报, 2010, 23 (3) .

结构优化设计研究现状 篇11

关键词：大型风电机组；增速齿轮箱；箱体结构；优化设计

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）08-0016-05

风能作为一种清洁、廉价的可再生资源，是现代能源发展的主要方向，其全世界蕴藏总量达到目前全球能源消耗总量的40倍，这在一定程度上推动了风电装备的发展。为了提高风力发电效率、降低发电成本，风电机组正面向增加单机功率、减轻整机质量和提高机组可靠性的方向发展。风电齿轮箱是连接叶轮与发电机之间的重要传动装置，是风电机组的核心部件，其功能是改变转速和传递扭矩。现有风电机组增速齿轮箱主要采用NGW行星轮系与平行轴轮系相结合的结构布局，由于其自身体积和齿轮强度的限制，难以满足大兆瓦机组的设计要求[1]。目前，行星传动结构设计方法对齿轮箱零件结构与形状等的设计仍停留在粗放式设计阶段，使得齿轮箱的结构粗糙、体积大、质量大，造成齿轮箱性能不佳和成本高。特别是在大功率齿轮箱的结构设计中，这种保守而又粗放式的设计方法难以满足大兆瓦风电齿轮箱的高功率密度、高可靠性和低成本的要求。如何设计合理的齿轮箱结构及参数，使每个零件的性能都得到充分发挥，成为各大企业的研究重点[2]。

目前风电齿轮箱箱体的结构优化的相关文献较少，其他箱体的研究较多[3-7]。Shouwen Yao对汽车的变速箱进行了以动态响应为目标的拓扑优化设计，根据优化结果重新建立CAD模型，校核分析表明变速箱的动态性能有所提高。Wei Chao在考虑制造约束的条件下，基于SIMP优化理论对大型船用齿轮箱进行拓扑优化设计，通过比较，新方案减重7.8%，达到了轻量化目的。郭晓伟分别使用Workbench平台和支持向量机的方法对风电齿轮箱箱体进行尺寸优化，结果表明支持向量机方法具有较高可信度，质量减轻550 kg。

本课题提供的结构优化方法引入拓扑优化理论，模型化设计不再使用类比设计，拓扑優化设计能够在给定的设计域中得到满足边界条件的轻量化结构。结合优化结果和概念设计原则，得到规整的概念结构模型。结构详细设计对概念结构模型的关键尺寸实施基于响应面法的尺寸优化设计，并进一步完成结构的工艺特征以便于加工制造，从而得到结构的详细模型。

1 增速齿轮箱传动方案介绍

大型风电齿轮箱主要传动方案分为两大类：NGW串联传动方案与封闭式功率分流传动方案。NGW串联传动方案的主要优点为传动比大、结构简单，但存在功率串行、各级承担功率相同的缺点，这就要求随着风电机组功率的增大，齿轮箱体积必须随之增大，导致齿轮制造成本与吊装成本增加。封闭式功率分流传动方案弥补了NGW串联传动方案的缺点，其各级承担功率为总功率的一部分，大大降低了各级齿轮所承担的载荷，可以显著地降低齿轮箱的质量。封闭式功率分流齿轮箱采用两级行星传动、一级平行轴的三级传动结构（如图1所示）。第一级为行星架固定的NGW构型，由内齿圈输入，太阳轮输出；第二级为差动轮系，由行星架和内齿圈共同输入，太阳轮输出；第三级为一定轴轮系，由大齿轮输入，小齿轮输出。

2 增速齿轮箱箱体概念结构优化设计

概念结构设计是基于变密度法对模型化设计产生的初始几何模型进行拓扑优化计算，获得在极限工况下风电齿轮箱零件的最优材料分布规律，根据优化结果进行概念结构设计。

2.1 齿轮箱整体力学模型

建立增速齿轮箱箱体结构优化模型，首先需要确定齿轮箱箱体结构的约束与载荷条件，因此根据齿轮箱机构简图，建立齿轮箱整体力学模型（如图2所示）。

2.2 箱体几何模型和网格划分

根据增速齿轮箱传动构型，确定齿轮箱初始几何模型。以其中中间传递扭矩的构件7（内齿圈）为例说明结构设计过程。齿轮箱内齿圈由齿轮箱内轴承支撑整体回转运动，其初始几何模型如图3所示。

网格划分之前需要分割实体。实体分割主要有两个目的：一是分割出非设计区域和设计区域；二是分割出载荷施加区域，方便施加载荷。利用Hypermesh软件实现网格划分。由于齿轮啮合实时变化，实际加载时作简化处理，即在内齿圈分度圆接触线进行等效加载，因此对轮齿面上分割出分度圆接触线以利于施加载荷。划分完网格的齿轮箱输入结构如图4所示，其中红色部分为设计区域（优化区域），绿色部分为非设计区域（非优化区域）。

2.3 载荷和约束

根据图2中齿轮箱整体受力模型，齿轮箱内齿圈主要受行星轮6所提供的径向力和切向力。在网格模型上施加载荷（如图5所示）。

内齿圈与第一级太阳轮轴（构件1）通过过盈连接传递动力，这里作简化处理，对联接盘凸缘内圆面进行全约束处理，施加约束的模型如图6所示。

2.4 优化参数设置

概念模型设计中需要设置一些必要的参数，包括设计变量、成员尺寸、模式组、优化响应、优化约束、优化约束、优化辅助选项等（见表1）。

2.5 密度结果云图

选取单元密度阀值为0.5，得到最终的拓扑密度云图（如图7所示）。分析云图可得材料总体分布为周向斜筋分布，符合受力特征。考虑到制造工艺，得到设计概念模型（如图8所示）。

3 增速齿轮箱箱体尺寸优化设计

尺寸优化设计应用响应面法对模型中的关键尺寸进行最优设计，如壁厚、大的圆角和肋的厚度等。首先确定设计变量及其变化范围，选用试验设计方法生成样本点，然后通过最小二乘法进行二次多项式响应面的拟合，响应面拟合完成后，需要计算响应面的拟合程度评价指标，再选用优化方法对响应面进行寻优，最后将最优结果作为设计点进行验证。

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3.1 建立参数驱动的三维模型

创建参数化的三维模型，使软件可以对模型进行参数化自动修改。对齿轮箱箱体结构设置具体可变尺寸（L1，R1，R2，R3，R4），在ANSYS Workbench的三维软件设计模块建立关键尺寸参数驱动三维模型（如图9所示），各尺寸均可在一定范围内变化，通过尺寸优化设计可以确定最佳的尺寸组合方案。

3.2 关键尺寸的灵敏度分析

通过分析关键尺寸对位移、应力、总质量的影响程度，为之后选择最优解提供数据支持。齿轮箱箱体结构设置具体可变尺寸（L1，R1，R2，R3，R4）的变化范围见表2。

基于ANSYS Workbench优化设计平台对上述模型进行材料属性定义、网格划分、施加边界条件等前处理操作，提交作业求解。通过软件Design Explorer模块，采用中心组合方法给出27组设计点。对这些设计点进行求解，利用响应面法可得设计变量对总位移、等效应力、质量的灵敏程度（如图10所示）。

由图10可见：尺寸L1对箱体等效应力影响最大，尺寸R3对箱体等效应力的影响可以忽略不计；尺寸R3对箱体总体位移影响最大，尺寸L1对箱体总体位移影响最小；尺寸R2，R3和R4对箱体质量影响较大。在确定最优方案时需综合考虑尺寸对等效应力、总体位移、质量的综合影响。

3.3 尺寸优化设计

为了获得候选设计点，需要结合灵敏度分析，综合考虑刚度、质量等因素，确定最优解。针对齿轮箱箱体结构设置总质量最小、最大总体位移不大于0.3和最大等效应力不大于100 MPa，指定优化评定准则为总质量最小、最大总体位移不大于0.3和最大等效应力不大于100 MPa，利用ANSYS Work Bench进行优化设计，得到3个较优设计方案（见表3）。

由表3可知：3种方案的Von Mises应力和最大变形相差极小，因此确定以质量最小为评价原则，选定方案一为最终设计方案。对相关尺寸进行圆整后，重新在ANSYS中进行建模计算，可得其最大Von Mises应力和总体位移云图（如图11和图12所示）。

由图11和图12可见：最大Von Mises应力为90.438 MPa，屈服强度為650 MPa，安全因子大于1.1，满足要求。对比初始结合模型与轻量化几何模型，优化后质量降低0.8 t，说明该方法有效地降低了齿轮箱的质量。

4 结论

1） 形成了以拓扑优化为基础的概念结构设计和以响应面法为基础的尺寸优化设计方法相结合齿轮箱箱体结构优化设计方法。

2） 针对某大型功率分流风电齿轮箱箱体结构进行优化设计，对比初始结合模型与轻量化几何模型，优化后质量降低0.8 t，证明本课题提供的齿轮箱箱体轻量化方法有效地降低了齿轮箱的质量。

参考文献

[1] 郝则胜.基于精确加载的大功率增速器行星架结构拓扑优化设计[D].大连：大连理工大学，2007.

[2] 张志宏，刘忠明，张和平，等.大型风电齿轮箱行星架结构分析及优化[J].机械设计，2008，25（9）：54-56.

[3] 王征兵.大型偏航变桨齿轮箱轻量化设计技术研究[D].北京：机械科学研究总院，2012.

[4] 侯秋凉.偏航齿轮箱行星架的性能分析及结构优化设计[D].大连：大连理工大学机械设计及理论，2013.

[5] YAO S W，LV J L，PENG Q D.Structural dynamic topology optimization of the transmission housing[J].Advanced Materials Research，2011（308-310）：368-372.

[6] WEI C，TONG S G，FEI Z X，et al.multi-objective topology optimization design of a large marine gearbox[J].Applied Mechanics and Materials，2012（201-202）：325-328.

[7] 郭晓伟.兆瓦级风电齿轮箱结构轻量化研究[D].大连：大连理工大学，2012.

Abstract： Optimum design method of the box structure of gear box was established by combining conception framework design based on topological optimization with dimension optimum design method based on response surface method. Box structure in some shunt wind power gear box was optimization designed. Compared to initial combination model and light weight geometric model， the quantity after optimization reduced 0.8 t， that proved the light weight method which used on the box of the gear box could reduce the quantity of the gear box effectively.

Key words： large wind turbine unit； step-up gear box； box structure； optimum design

外套框架结构优化设计与研究 篇12

1 工程概况

位于武汉的某片区是一片20世纪七八十年代遗留下来的建筑群, 考虑对文化遗产的保留以及经济因素, 决定对其大规模地实施增层改建。其中一栋原高3层的砖混结构建筑物, 根据要求须在不影响原建筑的情况下增建3层。考虑新旧建筑不同的结构体系, 拟定改造方案为新旧建筑物完全脱离, 即分离式外套框架结构型。

1.1 外套框架结构设计

该工程为单跨四层的高腿外套框架, 底层柱高12.5m, 以上各层层高均为3.0 m。采用武汉地区抗震设防烈度6度, 抗震等级四级, 设计地震基本加速度为0.05g, 基本风压0.55kN/m。施工方案图见图1, 外套框架结构平面布置分别见图2和图3。

采用武汉地区抗震设防烈度6度, 抗震等级四级, 设计地震基本加速度0.05g, 基本风压0.55kN/m。计算中设定底层以及二、三层框架恒载1.5kN/m2, 活载2.5kN/m2, 顶层恒载3.5kN/m2, 上人屋面活载2.0kN/m2, 梁上线荷载6.5kN/m2, 自动计算现浇楼板自重。结构初选截面:梁截面500 mm×1 000 mm, 柱截面500mm×700mm。为了更加直观地比较优化效果, 选取其中一榀, 即2轴线底层框架作为比较。计算结果如表1所示。

2 框架结构优化设计

该文对华中理工大学主编的“常用优化方法库”-OPB-1优化程序包中子项CVM01程序进行改造, 编制成适用于钢筋混凝土结构的基本构件的优化设计程序, 利用其结构内力的分析程序对框架结构进行优化设计。程序见图4。

2.1 选定初值

梁截面尺寸:400mm×1 300mm、柱截面尺寸:750mm×1 000mm、梁端最大弯矩M=497N·mm、梁最大剪力V=296kN。

2.2 优化调整

优化前后梁柱截面尺寸见表2。对进行优化规整后最终所得结果重新采用PKPM进行验算配筋, 所得结果如表3所示。

2.3 传统设计结果与优化后结果比较

1) 梁最终优化结果

按照传统设计, 采用梁截面尺寸为1 000 mm×500mm, 对应配筋为AS=2 406 mm2, AS’=2 406mm2, 工程总造价为6 821.73万元。截面尺寸优化结果为824mm×392mm, 经调整为850mm×400mm, 调整后的配筋为AS=2 731mm2, AS’=2 846mm2, 最终总造价为5 324.15万元。比原设计节省造价1 499.58万元。

2) 柱最终优化结果

按照传统设计, 采用梁截面尺寸为900mm×600mm, 对应配筋为AS=1 762mm2, AS’=964mm2, 工程总造价为6 234.37万元。截面尺寸优化结果为694mm×481mm, 经调整为700mm×500mm, 调整后的配筋为AS=1 044mm2, AS’=876mm2, 最终总造价为4 762.69万元。比原设计节省造价1 528.32万元。

3 结语

通过以上梁柱优化结果表的分析, 发现优化之后, 虽然梁的配筋有所增加, 但截面尺寸减小, 节省了砼的用量, 总体上减少了造价。而对柱进行优化之后, 无论是钢筋用量还是混凝土用量, 都得到了一定的减少, 降低了工程成本。对调整后的结果进行验算, 保证了结构的受力安全性。

摘要：根据建筑结构设计规范, 采取约束变尺度法对外套钢筋混凝土外套框架进行结构优化设计。将整体结构离散为单一的梁柱构件, 也就是采用分部优化的方式最终达到整体优化。对优化结果进行调整, 最后结合PKPM程序再次对框架进行内力分析, 计算以及复核, 求出最优解。

关键词：外套框架,优化设计

参考文献

[1]熊英.外套框架结构优化设计与研究[D].武汉:武汉科技大学, 2012.

[2]高剑平.国内外既有房屋加层改造发展概况[J].华东交通大学学报, 2006, 23 (2) :26-29.

[3]卢亦焱, 黄银燊, 唐红.房屋加层外套框架结构的优化设计[J].哈尔滨工业大学学报, 2009 (4) :197-200.

[4]张选红.房屋增层改造外框结构体系设计方法研究[J].工业建筑, 2004, 34 (6) :4-6.

[5]Masata Abe.Semi-active Tuned Mass Dampers for Seismic Protection of CiviI Structures[J].Earthguake Engineering and StructuraI Dynamics, 1996, 25:89-101.