一种钢架支撑结构的制作方法

1.本实用新型属于建筑支撑框架技术领域，尤其涉及一种钢架支撑结构。


背景技术：

2.在高层建筑中，抗侧力体系常采用支撑框架结构。支撑框架结构因其传力路径清晰、设计计算理论成熟，而成为钢结构高层建筑设计中最为常用的结构形式之一。支撑框架结构中的设计难点之一即为钢支撑的角度设计。钢支撑为钢结构中主要的侧向力受力构件。支撑角度过大或过小都将造成结构在侧向力(主要为风荷载或地震荷载)作用下的刚度不足，从而造成结构损伤风险。按照经验角度设计的钢支撑为了保证其力学性能满足要求，需增加其截面尺寸，以增加其抗侧力刚度。但增大截面尺寸将造成结构自重的增加，进而增加了作用于结构上的地震荷载，反而不利于结构抗震。另外，增大结构构件尺寸将造成结构材料的浪费，并非最优选择。
3.参看图7，为现有钢结构中最为常见的设计形式，主要包括单向斜杆、双向斜杆、人字形斜杆、v形斜杆、k形斜杆等。所有斜撑设计中，钢梁的位置均位于每层楼板处，因此斜撑高度取决于楼层高度h，斜撑跨度取决于楼层跨度b。单向斜杆和双向斜杆的支撑角度为tan(δ)＝h/b。人字形斜杆和v形斜杆的支撑角度为tan(δ)＝2h/b。k形斜杆的支撑角度为tan(δ)＝h/2b。传统的支撑框架斜撑角度一般取为45
°
或60
°
，但已有研究表明这两种设计并非最优的材料分布形式。
4.目前最常应用的钢支撑设计，其支撑角度完全取决于建筑高度和跨度两个参数。依据这两个参数设计的钢支撑角度并不能保证钢支撑上材料的最优利用，因而不能达成重量最轻、力学性能最优两个设计目标，从而导致钢支撑材料成本上升的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是提供一种钢架支撑结构，以解决现有钢架支撑结构的材料分布不均导致材料成本过高的问题。
6.为解决上述问题，本实用新型的技术方案为：
7.本实用新型的一种钢架支撑结构，包括框架和若干支撑件；若干所述支撑件自下而上依次安装在所述框架内；
8.若干所述支撑件根据数量均分为位于所述框架上半区的若干第一双向斜杆和位于所述框架下半区的若干第二双向斜杆；
9.其中，所述第一双向斜杆和所述第二双向斜杆均包括相互交错的斜向杆件；
10.若干所述第一双向斜杆中的所述斜向杆件与水平面形成的锐角自下而上依次增大；
11.若干所述第二双向斜杆中的所述斜向杆件与水平面形成的锐角自下而上依次减小。
12.本实用新型的钢架支撑结构，所述框架的高度为30m，所述框架的宽度为2.5m。
13.本实用新型的钢架支撑结构，所述第一双向斜杆和所述第二双向斜杆的数量均为三个。
14.本实用新型的钢架支撑结构，自下而上的三个所述第二双向斜杆中的斜向杆件与水平面形成的锐角分别为53
°
、50
°
和42
°
。
15.本实用新型的钢架支撑结构，自下而上的三个所述第一双向斜杆中的斜向杆件与水平面形成的锐角分别为39
°
、46
°
和59
°
。
16.本实用新型的钢架支撑结构，所述支撑件还包括人字形斜杆，所述人字形斜杆设于所述框架的上端，用于替换最上方的所述第一双向斜杆。
17.本实用新型的钢架支撑结构，所述人字形斜杆中的斜向杆件与水平面形成的锐角大于所述第一双向斜杆中的斜向杆件与水平面形成的锐角。
18.本实用新型的钢架支撑结构，所述人字形斜杆中的斜向杆件与水平面形成的锐角为59
°
。
19.本实用新型由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
20.本实用新型一实施例通过对材料的拓扑分布进行优化布置以达成既定的优化目标，在框架内设置分别第一双向斜杆和第二双向斜杆的支撑件；其中，第一双向斜杆布置于框架的上半区，第二双向斜杆布置于框架的下半区，第一双向斜杆的斜向杆件自下而上斜率依次增大，第二双向斜杆的斜向杆件自下而上斜率依次减小，通过拓扑优化仅保留钢支撑中处于传力路径上的材料，实现对材料最优化的使用，并应用了拓扑优化技术对钢支撑的角度进行了优化，在节约材料的同时，提高了钢支撑的力学性能，解决了现有钢架支撑结构的材料分布不均导致材料成本过高的问题。
附图说明
21.图1为本实用新型的钢架支撑结构的示意图；
22.图2为本实用新型的钢架支撑结构的拓扑优化设计域示意图；
23.图3为本实用新型的钢架支撑结构的拓扑优化结果示意图；
24.图4为本实用新型的钢架支撑结构的优化前位移图；
25.图5为本实用新型的钢架支撑结构的优化后位移图；
26.图6为本实用新型的钢架支撑结构的应用拓扑优化进行钢支撑角度设计的流程图；
27.图7为常用钢结构斜撑设计图；
28.图8为本实用新型的钢架支撑结构的柱脚应力示意图。
29.附图标记说明：1：框架；2：第一双向斜杆；3：第二双向斜杆；4：人字形斜杆。
具体实施方式
30.以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种钢架支撑结构作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。
31.参看图1，在一个实施例中，一种钢架支撑结构，包括框架和若干支撑件。若干支撑件自下而上依次安装在框架内。
32.若干支撑件根据数量均分为位于框架上半区的若干第一双向斜杆和位于框架下半区的若干第二双向斜杆。
33.其中，第一双向斜杆和第二双向斜杆均包括相互交错的斜向杆件。
34.若干第一双向斜杆中的斜向杆件与水平面形成的锐角自下而上依次增大。
35.若干第二双向斜杆中的斜向杆件与水平面形成的锐角自下而上依次减小。
36.本实施例通过对材料的拓扑分布进行优化布置以达成既定的优化目标，在框架内设置分别第一双向斜杆和第二双向斜杆的支撑件。其中，第一双向斜杆布置于框架的上半区，第二双向斜杆布置于框架的下半区，第一双向斜杆的斜向杆件自下而上斜率依次增大，第二双向斜杆的斜向杆件自下而上斜率依次减小，通过拓扑优化仅保留钢支撑中处于传力路径上的材料，实现对材料最优化的使用，并应用了拓扑优化技术对钢支撑的角度进行了优化，在节约材料的同时，提高了钢支撑的力学性能，有效降低了钢支撑材料成本，解决了现有钢架支撑结构的材料分布不均导致材料成本过高的问题。
37.下面对本实施例的钢架支撑结构的具体结构和尺寸进行进一步说明：
38.在本实施例中，框架的高度可为30m，框架的宽度可为2.5m。在此高度和宽度下，第一双向斜杆和第二双向斜杆的数量均可为三个.
39.在本实施例中，自下而上的三个第二双向斜杆中的斜向杆件与水平面形成的锐角分别为53
°
、50
°
和42
°
。自下而上的三个第一双向斜杆中的斜向杆件与水平面形成的锐角分别为39
°
、46
°
和59
°
。
40.在本实施例中，因框架的上端并无法容下最上方的第一双向斜杆，故支撑件还包括人字形斜杆，人字形斜杆设于框架的上端，用于替换最上方的第一双向斜杆。人字形斜杆中的斜向杆件与水平面形成的锐角大于第一双向斜杆中的斜向杆件与水平面形成的锐角。其中，人字形斜杆中的斜向杆件与水平面形成的锐角具体可为59
°
。
41.下面对本实施例的钢架支撑结构的优化流程进行说明：
42.拓扑优化理论在应用中有三个关键设计因素：设计域、约束条件、优化目标。其基本原理为在满足一定约束条件的前提下，通过对材料的拓扑分布进行优化布置以达成既定的优化目标。本实施例通过拓扑优化仅保留钢支撑中处于传力路径上的材料，实现对材料最优化的使用，从而确定钢支撑的最佳角度。
43.在设计中，设计(优化)目标为结构刚度最大(柔度最小)，优化约束为结构最大体积、结构平衡方程以及工程限值约束。本优化的数学模型为：
44.设计域：x＝{x1,x2ꢀ…ꢀ
xn}
t
∈rn45.设计目标：c(x)＝{u}
t
[k]{u}
[0046][0047]
其中，xj为第j个设计变量单元密度(n为单元数目)；x
min
为设计变量密度下限，设置设计变量密度下限是为了防止出现奇异解；c(x)为结构的柔度矩阵；{u}为结构的位移向
量；[k]为结构的刚度矩阵；{f}为结构承受外荷载向量；vj为第j个单元的体积；为体积约束上限；g(xj)和h(xj)分别为工程限值约束的范围约束和边界约束；g
min
为工程限值约束最小值。
[0048]
与公式(1)对应的lagrange函数为
[0049][0050]
式中，λ1、λ2、λ3、λ4、λ5——分别为体积约束、结构平衡方程约束、设计变量上下限约束以及工程限值约束的拉格朗日乘子；bi、ci为松弛因子；h(xj)＝0这一等式约束条件在计算时特殊考虑。
[0051]
式(2)取优化值时应满足的kuhn-tucker必要条件为：
[0052][0053]
本实施例在优化时保留设计域30％的材料，约束条件为：构件最小尺寸为2个单元，最大尺寸为50个单元，位移角不超过1/550(弹性层间位移角限值)，即：
[0054][0055]
式中，lj为不同边界节点定义的构件尺寸；l
min
为优化构件的最小尺寸，本实施例中取l
min
＝2i,i为有限元单元尺寸；l
max
为优化构件的最大尺寸，本实施例中l
max
＝20i；u
top
为结构顶部节点位移；h为结构总高度，本实施例中h＝30m；[θ]为规范规定位移角限值，本实施例中[θ]＝1/550。
[0056]
由于采用多个约束条件，规定满足规则收敛和软收敛均认为收敛于最优解。规则收敛是指相邻两次迭代结果满足收敛准则，即相邻两次迭代目标函数值的变化小于目标容差，并且约束条件违反率小于1％。软收敛是指相邻两次迭代的设计变量变化很小或没有变化，这时不再对目标函数和约束函数进行估值。
[0057]
若未施加工程约束，优化结果中将出现很多细小分支，形状不规则，并且结构下部易出现棋盘格现象，不能用于建造。施加工程约束后，能够很好的解决这些问题，所得优化结果符合工程实际，易于应用。考虑施工实际情况，本实施例在优化时施加的工程约束包括：
[0058]
1、最大、最小尺寸约束，使优化后的支撑尺寸为2～5个单元；
[0059]
2、对称性约束，使结构关于中轴线对称，能够抵抗两个方向的荷载；
[0060]
3、优化后体积为设计域总体积的30％；
[0061]
4、保证框架柱上下尺寸保持一致。
[0062]
参看图6，为应用拓扑优化进行钢支撑角度设计的流程图。
[0063]
拓扑优化结果如图3所示。经过优化计算，设计域面积减少为原设计域的30％，利用ossmooth软件提取优化后的结果，删除设计域其它单元。对于处于边界的四边形单元，ossmooth软件能够进行四边形单元剖分，完成样条曲线优化，提取光滑边界。图1为依据拓扑优化结果设计的钢支撑角度。
[0064]
图4和图5为优化前后位移分析对比图。如图4所示，优化前结构最大位移为0.045m，优化后最大位移为0.053m，比优化前增加18％，位移角由1/667增加为1/566，仍满足1/550的规范限值。可见，优化后材料利用率提高，从而节省了材料造价。优化后柱脚应力如图8所示，最大应力为3.294mpa。柱脚尺寸为0.4m。
[0065]
上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式。即使对本实用新型作出各种变化，倘若这些变化属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本实用新型的保护范围之中。