ErrorRPC 服务器太忙，不能完成该操作。大空间钢结构桁架檩条系统
1. 概述： 屋面檩条是轻型钢结构建筑中的主要受力构件之一。通常情况下，轻钢结构建筑的柱距在6m~9m之间，屋面次结构采用Z型连续搭接檩条或C型简支檩条，这是因为普通的冷弯薄壁檩条的经济跨度在9m 之内。但是在某些特定的行业中，由于生产活动及运输的需要，如超市、物流中心、汽车制造厂房等，需要建筑物能够提供更加宽阔灵活的空间，柱距可能达到12m以上，甚至18m；还有一些建筑物，由于屋面有较大的悬挂荷载，超出了冷弯薄壁檩条的承载范围。以往解决问题的做法是，采用实腹式H型钢梁或高频焊H型钢梁代替檩条或采用纵向托架结构系统(LGS)，但这些做法往往会造成结构用钢量大幅增长，以及建筑成本和施工难度的增加。巴特勒屋面桁架檩条是一种新型的用于大柱距屋面系统的空腹结构，能够弥补冷弯薄壁型钢檩条在大跨度、大荷载方面的缺陷和不足。美国巴特勒公司开发的Landmark?2000结构体系，正是使用这种桁架檩条结合实腹式门式刚架，以及相关支撑系统所形成的。该结构体系具有不同一般的低成本优势和极佳的观感，并能提供更大的空间。另外，桁架檩条在穿越管线和安装吊挂方面也有普通檩条无法比拟的优势。经过十余年具体的实践活动，该系统已经被市场所接受，在美国已经成为主流的结构体系。&
2. 产品特征：
与传统的用热轧型钢作为桁架上下弦杆不同，巴特勒屋面桁架檩条采用冷弯薄壁型钢作为弦杆，薄壁焊管作为腹杆，在使桁架的外形更为美观的同时，能合理地利用材料的特性。桁架檩条截面高度分为500mm和750mm两种，设计跨度为4.5m～18.0m，并以150mm为模数变化。桁架檩条主要由上下弦杆、主腹杆、端腹杆及端支座组成，组装图见图1：
2.1 上下弦杆
上下弦杆采用优质低合金钢，最小屈服强度大于400Mpa,厚度1.5~3.2mm。弦杆是经冷加工成型的，其截面形状象带边缘的帽子，详见图2。上弦杆需要预冲间距为150mm的孔，以用来配合安装巴特勒独有的MR-24屋面系统连接件，下弦杆与上弦杆对称布置。弦杆的材料严格按国家相应的标准供货，从材料的化学成分，机械特性以及加工过程到材料交货的总体要求均有严格的规定。
腹杆由外径为27mm的空心电焊圆管(符合国家DB/T13793-92标准)制作而成，最小屈服强度为大于345Mpa。圆管通过专用的设备进行连续折弯（详见图3），并在与上下弦杆连接处压平，再通过电阻焊焊接成形。为了提高桁架檩条靠近端部的腹杆的承载力而又不在整个檩条上采用更厚的腹杆材料（如若采用更厚的腹杆材料一方面产生浪费，也增加了桁架檩条的自重），可在靠近檩条端部的腹杆上指定区域套上一个外径比主腹杆大的套管作加强处理，在檩条组装时将套管点焊就位，加强套管仅用于保证腹杆平面外稳定。与此同时，在该加强区域，腹杆与弦杆的连接要求采用加强焊。
端座是一个简单的机械装置，用来将桁架檩条连接到主结构上，端座本身高加上上弦杆高度后能够与巴特勒Z型檩条同高，这样在同一个建筑物上，就可同时使用桁架檩条和”Z”型檩条，以达到更佳的经济效果。端座材料与弦杆的材料相同，在单独加工完成后再与桁架檩条端部焊接。
3. 桁架檩条设计要点
巴特勒桁架檩条从受力特点及节点构造上可分为普通桁架檩条及压杆式桁架檩条。普通桁架檩条主要承受屋面荷载及风荷载，压杆式桁架檩条作为纵向支撑系统中的受力杆件，除了承受普通桁架檩条的荷载外下弦还需要承受纵向风荷载引起的轴向力。
3.1 计算软件:
桁架檩条主要采用美国巴特勒研发中心自主开发的Truss Purlin Analysis and Design程序根据美国AISI规范计算。目前，国内已有相关工具箱软件可以按照现行国家相关规范进行设计计算。
3.2 设计荷载：
桁架式檩条的吊挂荷载根据项目用途选定，根据美国规范设计时基本荷载参照美国规范MBMA或ASCE等规范。采用国内规范设计时基本荷载参照《GB50009:建筑结构荷载规范》或《CECS102：2002》中有关屋面檩条部分。
吊挂荷载宜悬吊于下弦杆，吊点位置应尽量可能位于弦杆节点处，且应采用U型夹形式吊挂，具体做法可参照图6所示。
3.4 计算模型：
桁架檩条与屋面梁的连接采用每端两个普通螺栓的简支铰接。计算时巴特勒MR-24屋面系统可作为桁架檩条上弦杆平面外的有效约束，上弦杆计算长度系数取值Kx=Ky=Kt=0.70,平面外计算长度取值桁架檩条节间长度。下弦杆计算长度系数取值Kx=Ky=Kt=0.90，平面内计算长度取值桁架檩条节间长度,平面外计算长度取值檩间拉条间距。
在恒荷载+吊挂荷载+活荷载组合作用下，上弦受压，下弦受拉。
在恒荷载+风荷载组合作用下，上弦受拉，下弦受压。
计算时需要计算桁架檩条的强度和刚度(挠度验算)。由于桁架式檩条所固有的刚度及制作中的起拱变形值等因素，挠度很少在桁架檩条设计中起控制作用。
3.5 压杆式桁架檩条设计要点：
压杆式桁架檩条所承受的轴向压力由风荷载或地震荷载引起，支撑内力的传力方式与普通门式刚架相同，相当于普通意义上的刚性水平系杆。压杆式桁架檩条分为工厂完成和现场完成两种。
3.5.1 由于屋面支撑系统位于桁架檩条下弦，因此下弦为受压构件。承受轴向压力的压杆式桁架檩条主要依靠下弦杆件延伸或附加下弦受压槽钢传递，由于支座传递轴力的能力极为有限，必要时应对上弦杆进行受力验算或特殊节点处理。
3.5.2 在屋面荷载作用下计算压杆式桁架檩条强度时，风荷载取值按次结构风载体型系数。计算下弦附加风荷载轴向压力时，由于此时桁架檩条作为纵向受力体系中的一部分，风荷载取值按主结构风荷载体型系数。
3.5.3 桁架檩条下弦无法承担轴向压力时，现场可在下弦拼装通长槽钢，以承受100%轴向压力。槽钢可通过一定间距的U型夹连接于下弦。连接节点如图6:
3.5.4 由工厂制造的压杆式桁架檩条下弦杆在工厂一次通长加工完成。计算时需要考虑屋面荷载和轴向压力。其连接节点如图7:
3.6 桁架檩条结构支撑体系设计
桁架檩条结构的支撑体系与普通门式刚架支撑体系的设计思路基本一致，但还是有所差异。所有轻钢建筑支撑系统均由屋面交叉支撑构成的水平桁架和压杆及墙面支撑组成。屋面梁为水平桁架的弦杆，需考虑承担轴向拉压力。檩条可兼做压杆。设计支撑体系时的基本假设为：每个屋面水平桁架支撑系统变形相同，内力分析中轴向力引起的变形忽略不计，交叉支撑按单拉杆考虑，端部抗风柱位置附近的檩条承担抗风柱一半的反力。在非支撑跨，整个屋面的水平荷载由所有檩条共同承担，不再单独复核单根檩条压力。桁架檩条结构支撑体系的设计假设与上述基本相同，但还需要承担传递水平荷载以及存在一些特殊的构件要求和节点详图设计。
3.6.1 抗风支撑体系
桁架檩条结构支撑体系由压杆式桁架檩条和位于桁架檩条下弦平面下方的屋面水平桁架支撑以及边墙上的交叉支撑组成，并在靠近檐口处设置纵向支撑。屋面支撑杆件通常采用圆钢，圆钢支撑与刚架采用斜垫圈或U型夹连接。
抗风支撑可以每侧单独承受或两侧共同承担风荷载。沿建筑长度方向屋面水平桁架支撑数量不得少于两个。屋面抗风支撑位置宜位于端部第一个柱距内或从端部开始的前三个柱距内。当支撑位置设在端部第一个柱距内时，每侧端墙风荷载直接由屋面支撑传至柱间支撑。当支撑位置不在端部第一个柱距内时，应采用压杆式桁架檩条传递端墙风荷载至第一个设有屋面支撑的柱距处。如果由于建筑物柱距数量较多，两个屋面支撑桁架之间超过9个柱距未设支撑时，需要考虑在此区间增设支撑。
3.6.2 地震荷载支撑体系
根据计算确定需要的支撑数量和规格，支撑间距不宜超过45m。当地震荷载支撑数量超过抗风支撑数量时，在抗风支撑与额外的地震荷载支撑之间不需要设置传递轴向压力的压杆式桁架檩条。
3.6.3 边墙支撑
边墙支撑可以采用圆钢支撑或门式支撑。每一个柱距边墙中间抗风柱数量不应超过两个。如果可能，应与屋面支撑位于同一柱距内。边墙支撑位置也允许设置在屋面支撑以外的柱距内，但不应超过三个柱距。
由于屋面支撑位于桁架檩条下弦杆平面一下，而檐口Z型檩条与屋面支撑不在同一平面，所以在边墙中间抗风柱与刚架柱之间必须设置纵向压杆，与屋面纵向圆钢支撑形成水平桁架体系。门式支撑和交叉支撑不能够在同一侧边墙上混用。每侧边墙每个柱距门式支撑数量不应超过两个。
3.7 压杆式桁架檩条的传力途径
位于端墙抗风柱两侧的桁架檩条和与屋面圆钢支撑相连的檩条均视为压杆式桁架檩条。但支撑位于端部第一个柱距内时，端墙抗风柱两侧的桁架檩条与屋面支撑不相连的压杆式桁架檩条仅在端墙处做下弦延伸，与圆钢支撑相连的桁架檩条下弦两端均需要延伸。
当端部柱距内未设屋面支撑，且抗风支撑总数量超过两个时，端墙柱顶风荷载将通过压杆式桁架檩条传递至支撑柱距。设计时假定传力路径为柱顶反力通过端墙抗风柱两侧桁架檩条下弦及桁架腹杆，传递至桁架檩条上弦，经过支座至屋面梁上翼缘再传递至下一根檩条支座、上弦直至支撑柱距内的压杆式桁架檩条下弦。由于支座传递轴向压力的能力极为有限，必要时应对上弦杆件进行受力验算和特殊节点处理。或将非支撑跨桁架檩条下弦延伸，轴向压力通过下弦平面传递至有支撑的柱距内。
当Z型檩条与桁架檩条混合使用时，支撑位置应尽可能设置在Z型檩条区域内，以便减少压杆式桁架檩条的数量。
3.8 边墙中间抗风柱
边墙中间抗风柱柱脚柱顶均为铰接，可在柱顶设置八字形圆管支撑将柱顶荷载传递至桁架檩条上弦。或者增设横向压杆，连接与边墙抗风柱柱顶和靠近檐口的桁架檩条的下弦，并通过屋面纵向交叉支撑将柱顶反力传递至刚架柱。连接节点参照图8：
4. 主结构设计要求
主结构的设计荷载取值与普通门式刚架并无差异。只是由于屋面支撑体系位于桁架檩条的下弦杆平面下方，为了避免梁柱水平连接的节点板和加劲板与支撑体系有冲突，宜优先考虑选用垂直连接，并且要求屋面梁最小高度为610mm。
5. 檩间支撑及翼缘支撑
檩间支撑一般设置在桁架檩条上下弦杆平面内。由于巴特勒MR-24屋面系统可作为桁架檩条上弦平面外的有效约束，上弦杆平面内的檩间支撑仅是为提供安装时的稳定性作用。下弦杆平面内的檩间支撑可作为下弦杆的平面外有效约束。第一个檩间支撑位置位于距离桁架檩条支座1.5m处下弦与腹杆交汇处。下弦檩间支撑间距不应超过3.0m；上弦杆檩间支撑通常位于跨中位置。
为稳定刚架梁而设置的单面隅撑的做法，不宜用于桁架檩条结构体系中 (端墙刚架除外)，因为这将导致桁架檩条下弦受压扭曲，对结构不利。因此，设计中通常采用双面隅撑的做法，且隅撑连接于屋面梁下翼缘与桁架檩条下弦。
6. 高端、低端檐口抗风支撑
为了保证低端檐口檩条(Z型或C型)平面外稳定性，以及檐口檩条风荷载传递至屋面结构系统，通常在檐口纵向檩条与第一根桁架檩条上弦之间用圆管连接。当边墙抗风柱距小于7.50m时，在檩条跨中设置一道抗风支撑；当边墙抗风柱距大于7.50m时，在檩条跨中设置两道抗风支撑。此支撑不能够替代桁架檩条檩间支撑。
对于单坡建筑，由于巴特勒屋面板MR-24为直立锁缝屋面，屋面板夹具具有可移动性，应在高端檐口采用抗风支撑。由高端处压杆檩条和前两根桁架檩条作为弦杆，高强度冷弯薄壁槽钢作为交叉杆件组成一个纵向水平桁架支撑体系。交叉支撑用自攻钉连接于桁架檩条上弦。
7. 桁架檩条的组装
巴特勒桁架檩条的部件号由不同的零件号（上弦杆、下弦杆、主腹杆、端腹杆）组装而成，由于几乎所有的零件都是变长度的，故同一个部件号可以有不同的长度，当桁架檩条的长度确定以后，其相应的零件长度也就随之确定。
8. 桁架檩条的制造加工和涂装
巴特勒桁架檩条在工厂制作时，均应有相当于R=91.44m半径的板的起拱值，在设计檩条时应对其刚度进行验算。上下弦杆均为机器轧制成型，定位加工，预先在工厂冲孔，以保证其连接的准确性。腹杆为半自动的弯管机成型，根据图纸把弯管制作成若干个W型。组装是在工厂进行的，在一台大型的台架上，采用二氧化碳气体保护焊，把腹杆与上下弦杆焊接起来，每一个节点都有铜垫衬，在焊透的同时保证额定的焊缝高度和形式。
桁架檩条的表面处理达ST2.0级，醇酸底漆采用浸漆方式涂装。面漆有两种，标准面漆为醇酸面漆，对有特殊要求的建筑推荐采用ICI封固面漆，但价格较高。
9. 桁架檩条的运输
桁架檩条与其他空腹构件一样，需用较大的运输空间，且单根构件长度较长，所以运输成本相对普通檩条更高，不适于长距离运输。
10. 经济性比较
设计条件：某仓库位于上海，建筑尺寸为：96m(宽)x180m(长)x10m(檐口高度)，
柱距:中柱为:12@15m,边柱为:24@7.5m.
跨度:4x24m
荷载条件: WL=0.55 kn/m^2
SL=0.25 kn/m^2
CL=0.25 kn/m^2
LL=0.50 kn/m^2（檩条）/0.30 kn/m^2（刚架）
屋面自重: 0.15 kn/m^2（檩条）/0.25 kn/m^2（刚架）
采用三种结构方案比较:
1. LGS+门式刚架系统，次结构跨度为7.5m，采用Z型搭接连续檩条。
2. 门式刚架系统，次结构采用桁架檩条，直接跨15m。
3. 门式刚架系统，次结构采用H型高频焊檩条，直接跨15m。
经过PKPM-STS和巴特勒自有软件分析后得到各种方案的用钢量比较如下:
注:比较数据仅供参考。
从比较表中可以看出，采用门式刚架+桁架式檩条的结构方案虽然维护次结构增加了20%左右的用钢量，但是主结构及支撑的用钢量仅为门式刚架+LGS+Z型檩条的66%。综合来说，单位面积的用钢量可以节省约20%，相对于其它两种结构形式，屋面桁架檩条具有更大的经济性优势。
巴特勒Landmark?2000结构体系适用于实现较大室内柱网空间或者屋面吊挂荷载较大的预制轻钢结构建筑，其结构形式简洁，施工速度快，用料省，为大空间结构提供了新的选择。同时，桁架檩条的空腹结构还可以为水暖电等专业设备管线的穿透及安装提供便利，从而达成既美观又实用的实际效果。在中国，已经建成了包括上汽临港、三一重工、美国维尔卡钢绳、天裕光能科技等数十个项目，成为一种具有较高性价比的建筑解决方案。虽然桁架檩条在加工速度和运输距离上受到了一定的限制，但是作为一种新兴的优势结构体系，其应用及发展必将有更为广阔的空间。
1. Metal Building Manufacturers Association. INC. Low Rise Systems Manual 1986
2. The American Iron and Steel Institute (AISI) Committee. The Specification for Design of Cold-Formed Steel Structure Members. 1996
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空间钢管桁架几何尺寸对其内力变化的影响
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浅谈桁架结构的拓扑优化
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目前，桁架结构由于其 自身的特点，已广泛应用于房屋建筑。桥梁，铁塔 ，航空航天等不同领域，是结构工程领域研究的重点 。桁架结构设计可分为平面结构和空间结构设计。对于平面桁架结构的设计，从传统的材料力学及弹性力学方法进行研究到后来结合有限元方法的研究，整个研究的理论系统有很大的发展。早期采用传统方法计算桁架结构 ，是将给定的结构中各个杆件分离开来，然后分别计算各个杆件的节点位移、杆单元轴力，以及杆单元应力、支座反力等，计算过程相对较为繁琐，计算量较大，容易出现误差，而且给定结构-般由有经验的人提供 ，无法保证其给定的结构是否为最节省材料，重量最小等最优结构。弹性力学理论中位移法分析桁架结构时，是通过采用对节点位移作为基本未知量，进而通过矩阵的形式对各基本参数进行组织、编程，求出未知量的方法。按照位移法的基本原理运用矩阵计算内力和位移的方法，也是结构矩阵分析方法中的-种，其基本未知数是节点位移，由于矩阵位移法较矩阵力法更适宜编制通用的计算程序 ，因而得到了更为广泛的应用。矩阵位移法的原理接近于后来的有限元方法，有限元方法利用桁架整体刚度矩阵求解节点位移和杆单元应力，这两种计算方式均适合于计算机编程 ，但是局限性依然是只能针对给定的桁架结构进行分析。桁架结构优化设计是在满足各种规范或某些特定要求的条件下，使桁架结构的某些性能指标(如重量、造价、刚度或频率等)达到最佳。由于在实际工程实践中，对于某-给定结构，其优化目标实现的方案有很多种，那么就会存在-种或是几种最优的方案，使其达到既能预定 目标又能降低成本、重量 ，或是提高频率等目的。那么如何得到最优解的过程就是所谓优化设计。通厨行优化设计时需给定 目标函数，变量及约束条件，然后根据相应的数值计算方法或者依靠现有计算机技术进行建模计算，最终得到最优结构。桁架结构优化设计综合了计算力学、数学规划、计算机科学及结构工程等多方面的理论和知识，是最优化理论和计算机技术在结构设计上 的应用 。桁架结构优化根据其设计变量类型和优化层次的不同可大致分为尺寸优化，形状优化和拓扑优化。第-，尺寸优化主要以截面尺寸为变量 ，约束条件可以是应力、位移等，由于其优化思路简单易于理解 ，是结构优化设计领域中最早开展的领域，也是发展相对成熟的领域，通常也会结合形状优化或者拓扑优化进行研究。收稿 日期 ： 1作者简介：张晓东(1979-)，男，河北廊坊人，教务处处长、讲师，主要从事机械设计与制造研究。? IO0 ? 第二，形状优化是指在结构优化过程中以结构内外边界形状及其对整体结构的性能影响为变量，以降低工程造价为目的的优化♂构形状优化通常分为杆件类结构优化和连续体结构优化。杆件类结构的形状优化，-般选择节点坐标(位置)作为设计变量 ，如桁架的形状优化就属于杆件类结构优化。由于单独进行形状优化对结构设计的优化效果有限，通常要同时考虑截面尺寸与结构形状的组合优化。第三，所谓拓扑优化是用优化的方法研究物体间的连接关系。拓扑优化的难度最大，亦最具挑战性。对于连续体结构，它主要以材料的分布为优化对象，可以在材料分布空间找到最佳的分布方案。而且它具有很多的设计自由度，因此能够获得更大的设计空间。虽然与前两种优化相比难度很大，但却是最近发展前景的-种研究方法。优化设计主要从设计变量、约束条件和优化算法等角度展开研究和讨论。从约束条件来讲 ，由于桁架自身特点和应用环境，研究者最早以位移、应力为约束条件，随着科学技术的飞速发展，桁架的稳定性、地震响应、刚度、频率、动力学、可靠性、屈曲约束、多工况多约束等方面分别被引入到桁架的优化研究中，这些条件的引入使得桁架优化设计越来越完善。桁架结构应用广泛，但是由于桁架结构的理论优化尚处于探索完善阶段，故在实际工程中还未广泛应用。目前房屋住宅结构中的桁架、塔结构中的桁架、航天领域中的桁架以及军用桁架等的研究 ，-直是研究热点，也是将桁架理论研究应用于工程实践中较为成熟的领域。随着理论研究的逐渐深入和完善，以及全球资源的日益短缺，人们对生活质量水平要求的日益提高等客观事实的存在，作为改善结构功能、提高经济效益的拓扑和布局优化必将会受到更多的关注，实际应用也必将会更加广泛。-、桁架结构优化的优化算法在优化设计过程中，-旦建立了优化模型，那么根据模型中变量、目标函数以及约束条件的特点选择合适的优化算法就成为可能，这是较快速、较准确地得到结果的关键问题。如工程计算中由于采用变量类型的不同，采用的约束条件类型的不同，目标函数类型的不同等，采用的相应算法必然有所差别。据不完全统计 ，大约有 300多种最优搜索算法，-般可归纳为三类，即数学规划法、力学准则法和仿生学方法。数学规划法是在给定约束条件下求 目标函数最大或者最小，常用于线性规划和非线性规划，是运筹学的重要分支，应用领域广泛。数学规划法依据已经掌握的工程条件，建立数学模型，有严格的理论基础，然后借助计算机技术求解，在满足工程要求的前提下得出最优解 。实际的工程中优化设计问题-般是有约束的非线性规划问题 ，单纯形算法明显出现不足，近年来学者又针对规南大的结构线性分析问题提出了椭球算法与卡玛卡算法 ，在大规尼构模型计算过程中与单纯形法相比，它们具有更高的效率。对于非线性规划问题，至今没有找到-个普遍有效的统-算法 ，对于同-设计问题采用不同算法，其计算效率明显不同♀决含约束的非线性规划问题的方法-般有直接处理约束、用线性规划逼近和转成无约束问题三类。目前常用的方法有拉格朗日乘子法和罚函数法，是将约束问题变为无约束问题的方法。还有解决无约束问题的变尺度法和黄金分割法 ，变尺度法是无约束优化方法中应用最为广泛的方法之-，黄金分割法属于-维搜索方法 ，是确定-元函数极小值点的数值方法。此外还有序列线性规划法、序列二次规划法、可行方向法、梯度投影法、广义简约梯度法、复形法 、可变容差法、随机试验法等。-般设计人员进行结构设计需要掌握几种方法，才能较为准确地判断如何选用合适有效的算法 ，提高计算效率。力学准则法是利用最优性准则法，从直观力学概念出发 ，在满足各种约束的设计方案中寻求最优方案。根据工程经验、力学概念以及数学规划的最优性条件，充分发挥材料的强度潜力，刚度潜力和贮能能力，达到工程造价最低的目的，力学准则法能够寻求结构的最小体积或者是近似最小体积。力学准则法可分为等强度准则、同步失效准则和能量准则等，它与数学规划法的普遍适用性不同，在应用上有很大的局限性 ，它利用的是结构的物理特征 ，不能建立与目标 函数的直接关系，不同约束要采用不同的准则。但也正是因上述特点，它的迭代次数与设计变量无关 ，算法简单，迭代速度，而且设计思想简单，易于设计者接受和掌握。仿生学方法是模仿生物进化现象 ，物竞天择，适者生存的原理逐渐形成的优化算法。它是上世纪中期出现的-f-IN的边缘学科，它研究生物体的结构功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术中。目前可将仿生学算法分为模仿 自然界过程和模仿 自然界结构两种算法，常用的算法有遗传算法、模拟退火法和? 1 01 ?神经元网络算法。由于桁架结构中杆单元数量较多，在以往的研究过程中，在众多的结构中进行选择是设计者面临的重大难题，而仿生学算法能够在其中起到很好的选择作用，因此这些算法在桁架优化过程中应用较为广泛，尤其是遗传学算法。遗传算法是-类可用于复杂系统优化的具有鲁棒性的搜索方法，1975年由 I.Holland首先提出。它是随着启发式概率搜索的思想不断发展，逐渐形成的，早期主要应用于组合优化和复合现行优化。遗传算法的主要优点是可对变量进行编码模拟生物遗传和进化过程 ，编码后的变量容易操作，可多点搜索，搜索空间较大，速度较快 ，适应性强，得到的最优解较为准确。它对参数或设计变量进行编码和解码，因此可解决的变量既可以是连续型也可以是整数型或离散型。随着-些新的理论和方法在不同领域的发展，设计者不断的探索，遗传学算法的应用逐渐扩展到更多的领域，它正不断地与神经网路，模糊推理和混沌理论等其他智能方法相结合。它在桁架应用领域应用较为广泛，研究者通常在遗传算法基本原理基础做相应的改进，对桁架进行优化。模拟退火法来源于固体退火原理，将固体加温至充分高，再让其慢慢冷却，加温过程中，固体内部的粒子随着温度的提高变成无序状态，固体内能随之增加，而慢慢冷却过程中，粒子又逐渐变成有序状态，在每个温度都能达到平衡 ，最后在常温时达到基态，内能减为最校因此得到模拟退火算法，它是基于蒙特卡罗迭代求解法的-种启发式随机搜索过程。它既能处理连续型变量，又能处理离散型和整数型变量的非线性规划问题 ，优点是优化过程中能够搜索到到全局最优点，而且能够防止得到陷入局部最优解。模拟退火法在搜索过程中通常要根据不同过程调整不同参数，而工作过程又无统-的准则，无法在众多因素中迅速掌握所需温度数据，因此降低了其工作效率。人工神经元网络是-种应用类似于大脑神经突触联结的结构进行信息处理的数学模型。它是由大量神经元和之间相互联结构成，每个神经元代表-种特定的函数 ，因此是-种运算模型。它具有非线性、非局限性、非常定性和非凸性四个基本特征，采用了与传统人工智能和信息处理技术完全不同的原理，具有自适应、自组织和实时学习的特点。二 、桁架结构拓扑优化结构拓扑和布局优化是优化领域的高层次部分 ，被公认为是最具挑战性的研究课题之-。Michell在1904年首次提出了桁架理论，而其拓扑优化设计却是在 Dorn提出基结构概念才真正开始的。所谓基结构是指在进行研究之前选定的初始结构，即部分杆件与荷载作用点、支承点和其他可能节点已经相互连接。在后来的多年研究中不难发现，绝大多数的桁架优化研究均是以基结构为基础展开，分别针对设计变量 ，优化模型和求解算法等方面深入研究。基结构方法的优化原理是在已经确定的基结构基础之上建立优化模型，然后选择与之相适应的搜索方法，在基结构的基础上增加或者删除某些杆单元。通常采用以杆单元的截面积为变量，删除杆件的原则是当优化结果中变量值等于 0或者达到下限时就将其对应的杆单元删除。纵观桁架拓扑优化研究的发展，大致可分为基于形状优化的拓扑优化，基于独立的拓扑变量的拓扑优化，集尺寸、形状和拓扑为-体的布局优化，以及非基结构法的智能拓扑、布局优化。基于形状优化的拓扑优化是研究者们采用了取杆件的截面面积为设计变量，通过杆件面积取零值来实现结构的拓扑变化。这种模型的设计变量通成分为连续型(即在指定的范围内可以连续变化，取任意值)和离散型(即在指定的离散域内取某-离散值)两种，目标函数-般柔构重量最轻或体积最校这种方法虽是拓扑优化却与尺寸优化有相同之处，概念简单，操作方便 ，设计人员易于理解 ，但是对实际桁架的拓扑结构描述不准确 ，描述模型并不完全可靠，优化结果与实际情况存在的差异性较大；而且对同-桁架结构来讲，杆单元的截面积尺寸过多，不利于工程选材，即使节省了材料也不-定能保证工程造价。与此同时，此种方法优化可能出现奇异解，而将其求解效率延伸到拓扑优化的求解当中也比较困难。基于独立的拓扑变量的拓扑优化，即为确定基结构中杆件的有或无，以达到目标要求的方法。此方法力求避免由于存在以尺寸变量为基础的拓扑优化对实际拓扑本质描述不确切的问题，而产生奇异最优解和求解效率较低的现象。拓扑变量作为独立变量时，建立的数学模型可能为离散的连续型混合优化问题，也可能为离散变量优化问题，只能采取非基于导数的优化算法 。虽然思路清晰，但是用独立的拓扑变量描? 1 02 ?述桁架的实际连接情况尚有困难，而桁架结构类型较多，且很可能出现组合爆炸现象，单纯的人工分析其所有结构中可能的拓扑结构，工作量之大显而易见。有人提出根据桁架 自身的超静定特点，将其 自由度计算列为约束条件，此方法可以有效地减少不必要的有限元分析。能够将桁架的拓扑优化完全从尺寸优化和形状优化中独立出来，其意义重大，虽然目前没有统-的研究方法，其优化模型中选取作为拓扑变量的参数很多，但是仅以拓扑连接形式的描述量作为拓扑变量的文章鲜有发现，只要进-步研究，采用适当的求解算法，就可以使拓扑优化的研究工作有突破性的进展。集尺寸、形状和拓扑为-体的布局优化，是多数学者认为能够获得最佳性能和最具经济效益的桁架结构形式必须选择的优化方法。因为在众多的研究成果之中，大多以尺寸优化为基础 ，同时考虑形状优化和拓扑优化，三者相互耦合、相互关联，才能更加贴切地对优化实质进行描述。这种优化方法可以应用于离散型变量问题，也可以应用于连续离散混合型变量问题 ，但是由于变量数量较大，约束条件的非线性程度较高 ，所以求解相当困难，因此该方法的发展-直很缓慢。上述多为基于基结构的研究 ，但是人们很快发现应用基结构优化的结果存在许多问题。这些问题主要是 ：首先，基结构是事先给定节点和杆件数量及位置，不能完全反应桁架的所有可能结构，所以找到的可能不是全局最优解 ；其次 ，-般情况只有删除杆单元，不能在其他位置增加杆单元 ；然后，按照杆单元截面积趋于0时将其删除的原则，不能保证所删除杆单元承受的应力为 0，那么将会造成整体结构的不稳定性；最后 ，随着节点数量的增加 ，优化模型中变量数量会剧烈增加 ，就是所谓组合爆炸，传统的方法失去了效率。虽然人们-直致力于对此问题的提出，先后应用各种建模方法和优化算法，采用桁架判别方法去除可能出现的机构问题等，但整体应用效果还不够理想。可以认为，基于基结构法的拓扑、布局优化得到的最优解可能不是全局最优解 ，原因是基结构法确定初始结构时可能已经将全局最优解排出在外，让基结构包含所有的杆单元才能解决这个问题，而 目前在多数学者认为这是不可能的。因此只有摆脱基结构，在所有可能结构中进行研究 ，才是真正的拓扑、布局优化，产生了非基结构法的智能拓扑、布局优化。目前-些基于进化、模糊和人工神经网络等智能优化算法被逐渐应用到桁架结构优化中，而且具有很大的应用前景 ，如 Seung.Kook等提出利用爬行机器人带动桁架单元重组桁架结构方法；Mroz等提出利用生物生长模式，在简单结构基础上逐渐增加杆单元，从而改变桁架的拓扑结构，直到得到最优结构；将遗传学算法思想加以改进引入到桁架拓扑优化设计的文献也很多，其中-些研究已经摆脱了基结构束缚。这些方法为实现结构的智能优化提供参考，解决了奇异最优解问题。当然，目前这些研究还未真正成熟，在以后的研究中还有很大的发展空间，而桁架应用领域的实际工况又不只涉及基本结构，外界条件的变化也很重要，这是传统方法无法考虑完全的-方面，还需要进-步探索和研究 。自从桁架理论提出以来，桁架结构的拓扑优化大多数是基于基结构的结合尺寸优化的对于杆单元横截面积的优化，大家对拓扑优化的研究，大致分为对其优化模型的不断改进和对其优化算法的不断改进。而工程中杆件的连接情况对工程造价的影响较大，而且不同的杆件连接会引起不同的有限元分析，对于大型桁架还要考虑其所受载荷为静载荷还是动载荷，这样更加大了计算难度和工作量。本文为后期形成桁架结构优化设计方法和优化程序提供理论基矗对桁架结构优化通用程序的编写在桁架拓扑优化中将会有很大 的意义 。...
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