同济大学土木工程本科毕业设计(论文)开题报告-刘射洪

毕业设计(论文)开题报告（适用于工科类、理科类专业）课题名称大跨度混合结构分析及优化设计副标题学院（系）土木工程学院专业土木工程（岩土方向）学生姓名刘射洪学号0910392013年3月10 日一、毕业设计（论文）课题背景（含文献综述）随着社会和经济的发展，在最近的一、二十年里，大跨度建筑结构技术水平发展迅速，其已经成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。

建筑物的跨度和规模越来越大，结构形式也越来越丰富多彩，许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为各地的象征性标志和著名的人文景观。

当建筑物的跨度达到或超过一定限度时，普通的平面结构就开始变得不是很合理了。

从国内外工程实例可以看到，大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系，多由两种或两种以上不同材料的承重结构所共同组成的结构体，即混合结构。

混合结构不是指单一的结构形式，如混凝土结构、木结构、钢结构等，而是指多种结构（或称构件）混合而成的一种结构系形式。

大跨度建筑中的混合结构是近年来结构专业的新型提法，是大跨度建筑中不可或缺的结构形式。

按照目前比较认可的分类方法，大跨度混合结构体系由拱（壳）单元、梁（板）单元、杆系单元和索（膜）单元这四类基本单元相互混合而成，分为刚性构件混合结构和刚、柔构件混合结构两大类(图1)。

随着技术水平的发展，大跨度混合建筑展现出多样化的格局，由以前较重的结构体系发展到轻薄的结构体系，由传统的刚性结构发展到半刚性结构和柔性结构。

图1 大跨度建筑混合结构的分类然而，随着大跨度混合结构体系的日趋多样化，其设计与施工也变得错综复杂。

设计中不仅要考虑建筑功能与结构受力，而且应该考虑到文化、社会、经济、设备技术等各方面的因素，使建筑物实现最好的综合效果。

同样，施工中不仅要考虑技术的可行性，更应考虑到经济效益、环境影响等因素。

而这都给大跨度混合建筑结构的精确计算和优化设计提出了新的要求。

结构优化设计是结构设计理论的重大发展。

因为同一个设计任务，可以有多种不同的可用的设计方案，从所有可用方案中选出最满意的方案自然是理所当然的追求。

结构优化设计从马克斯威尔理论（Maxwell，1880）和米歇尔（Michell，1905）桁架出现起已有百年，从史密特（Schmit，1964）用数学规划来解决结构优化设计算起亦有近50年历史，特别是过去40年内，在理论、算法和应用方面都取得了长足的发展。

结构优化设计包含三个层次，即结构选型优化、结构布置优化和结构构件优化。

（1）结构选型优化各个结构的功能要求决定之后，就要根据功能要求为结构选型。

例如，要修建一座覆盖空间很大的大跨度结构，可以采用多种结构类型的方案，如拱型结构、悬索结构、网架结构、薄壳结构、薄膜结构等，甚至充气结构。

对高层建筑而言，可选用框架结构、框一剪结构、剪力墙结构、筒体结构、悬挂结构等形式。

由于对结构的强度、刚度、动力特性、造价、抵御自然灾害的能力、美学效应以及其他社会效应的众多要求，结构选型是一个综合性很强的决策问题，它要求力学、结构、建筑学、美学、经济学等学科的密切配合才能很好地解决。

（2）结构布置优化结构体系的优化是先从结构的概念设计入手，使结构的平面布置尽量规则、对称，立面和竖向规则，侧向刚度均匀变化。

同时，通过计算和定量分析，对关系到体系整体性能的设计变量，如框架结构的柱网布置、框架-剪力墙结构中的剪力墙的数量、平面布置和刚度特征值等进行优化。

（3）结构构件优化在给定的结构体系、结构材料、平面布置的情况下，对各个构件进行优化，使结构构件的材料使用量最少，达到最佳的经济效益，这就是结构构件优化。

结构构件优化的对象，可能是构件的截面尺寸、剪力墙或者板的厚度、配筋面积等。

构件优化最简单有效的方法是利用有限元软件建模。

对结构进行计算分析，得到位移和应力，期间不需要对网格进行重复划分，可以利用数学方法来完成优化。

对于单元连接的框架结构，杆件的横截面特性发生改变时，就需要重新划分网格；对于具有连续性的板或者壳，可以仅仅把构件厚度作为优化设计变量，在优化过程中，这类设计变量与刚度矩阵是简单的线性关系。

因此，结构构件优化主要依靠数学优化算法来实现。

近十几年来，把优化理论应用在工程上的研究发展有以下特点：（1）在整体上注重方法论。

强调从工程的整体去研究，把工程技术、工程管理和工程经济三者综合起来考虑，追求优化效果的最优化。

（2）在工程技术方面，对结构优化设计中，考虑某些量的模糊性。

因为结构类型和不同地震区等原因，结构受到的荷载和作用以及材料的性能等这些量具有一定的模糊性，考虑一定的模糊性也许可能使优化设计更加合理，可以给工程带来更好的经济效益。

（3）对一些简单或者规则的结构的类型和构件，可以根据计算机编程或者软件进行优化，这种方法随着计算机科技水平的飞速发展，也得到很大的发展，对结构优化的应用有着很好的推动。

（4）用CAD进行设计时，运用优化理论，形成在设计中应用理论的优化方法，推动了设计的改革。

（5）随着智能技术的日益发展，一些学者正在研究和探索能否采用人工智能的方法来改良和升华结构优化的每个环节，这种智能方法的应用，可以很好的融入到结构设计中，并且省时省力，让更多的设计者对结构进行优化设计，能够很好的推广优化的应用领域。

目前，结构优化设计解决的问题从减轻结构重量扩展到降低应力水平、改进结构性能和提高安全寿命、使用舒适度等更多方面。

无论国内还是国外对这一现代技术的需求都有增长的趋势。

随着经济和科技的日新月异，结构优化的发展一定会越走越远，它在实际工程中的应用也会越来越多，前景是非常广阔的。

但是，现在对于结构优化设计的对象还是主要针对高层建筑，对于大跨度建筑的优化研究较少，而对于大跨度混合结构的优化设计更是少之又少。

随着大跨度混合建筑的日益增多，积极探讨大跨度混合建筑结构体系的优化设计，具有明显的社会和经济效益。

大型城市商业综合体作为一种典型的大跨度混合结构，随着人们对其美观、功能要求的不断提高，其设计与施工难度也大大加强。

结构选型是大跨度混合结构设计的关键之一，合理的混合结构选取，不仅能确保结构满足正常使用和承载力极限状态的刚度、强度以及延性指标，还能较好地发挥材料的性能，加快施工进程，取得良好的经济指标。

因此，大跨度混合结构的选型比较与优化设计显得极其重要。

本毕业设计课题主要要求学生结合具体工程实例，通过对其选型比较及优化设计确定合理的结构方案，继而对选定方案进行构件验算，掌握并熟悉运用以下设计概念和设计方法：1、了解大跨度混合结构的分类及运用，并针对具体工程进行比较分析；2、学习如何利用PKPM或ETABS软件进行大跨度混合结构的整体建模分析，把握大跨度混合结构的设计控制指标；3、掌握大跨度混合结构的构件设计验算方法。

二、毕业设计（论文）方案介绍（主要内容）1、查阅国内外相关文文献，收集资料；2、翻译相关的外文文献一篇；3、结合具体大跨度建筑混合结构工程实例，通过对其选型比较及优化设计确定合理的结构方案；4、针对最终确定的结构方案进行构件验算；5、完成毕业设计工作，撰写报告，并做好答辩准备；6、毕业设计（论文）提纲：1 绪论1.1 研究背景1.1.1 大跨度混合结构的发展1.1.2 大跨度混合结构的特点1.1.3 研究意义1.2 大跨度混合结构体系1.2.1 刚性构件的混合1.2.2 刚、柔构件的混合1.3 大跨度混合结构优化设计1.3.1 结构优化设计的发展1.3.2 结构优化设计的层次1.3.3 结构优化设计的特点1.4 本文的主要工作2 大跨度混合结构设计方法2.1 混凝土构件与钢构件的混合2.1.1 概念2.1.2 设计要点2.2 混凝土构件与组合构件的混合2.2.1 概念2.2.2 设计要点2.3 混凝土构件、钢构件及组合构件的混合2.3.1 概念2.3.2 设计要点2.4 混凝土构件、钢构件及拉索构件的混合2.4.1 概念2.4.2 设计要点2.5 本章小结3 工程实例设计与分析3.1 工程概况3.2 初步设计3.2.1 设计依据3.2.2 分析软件选取及参数确定3.2.3 结构布置3.3 优化分析3.3.1 选型优化3.3.2 结构布置优化3.3.3 构件优化3.3.4 构造要求3.4 经济技术对比3.5 本章小结4 结论与展望4.1 结论4.2 展望参考文献附录谢辞三、毕业设计（论文）的主要参考文献[1] GB50009-2012．建筑结构荷载规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2012.[2] GB50010-2010．混凝土结构设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2010.[3] GB50011-2010．建筑抗震设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2010.[4] GB50017-2003．钢结构设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2003.[5] JGJ138-2001．型钢混凝土组合结构技术规程［S］．北京：中国建筑工业出版社，2001.[6] JGJ/T249-2011．拱形钢结构技术规程［S］．北京：中国建筑工业出版社，2011.[7] JGJ257-2012．索结构技术规程［S］．北京：中国建筑工业出版社，2012.[8] 林同炎，斯多台斯伯利．结构概念和体系［M］．北京：中国建筑工业出版社，1999.[9] 罗福午，张惠英，杨军．建筑结构概念设计及案例［M］．北京：清华大学出版社，1999.[10] 李国强，黄宏伟，吴迅等．工程结构荷载与可靠度设计原理［M］．北京：中国建筑工业出版社，2011.[11] 顾祥林．混凝土结构基本原理［M］．上海：同济大学出版社，2011.[12] 顾祥林．建筑混凝土结构设计［M］．上海：同济大学出版社，2011.[13] 沈祖炎，陈扬骥，陈以一．钢结构基本原理［M］．北京：中国建筑工业出版社，2005.[14] 马人乐，罗烈，邓洪洲等．建筑钢结构设计［M］．上海：同济大学出版社，2008.[15] 吕西林，周德源，李思明等．建筑结构抗震设计理论与实例［M］．上海：同济大学出版社，2011.[16] 王静峰．组合结构设计［M］．北京：化学工业出版社，2011.[17] 聂建国．钢—混凝土组合结构原理与实例［M］．北京：科学出版社，2009.[18] 张其林．建筑索结构设计计算与实例精选［M］．北京：中国建筑工业出版社，2009.[19] 北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院．ETABS中文版使用指南［M］．北京：中国建筑工业出版社，2004.[20] 中国建筑科学研究院．多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE用户手册及技术条件［M］．北京：中国建筑工业出版社，2010.[21] 刘宏伟．大跨建筑混合结构设计研究［D］．上海：同济大学，2008.[22] 徐洪涛．大跨度建筑结构表现的建构研究［D］．上海：同济大学，2008.[23] 刘宏伟．大跨建筑混合结构的分类［J］．城市建筑，2008，（11）：29-31.[24] 张铁军．对大跨度建筑中混合结构设计分析［J］．科学与财富，2012，（1）：85.[25] 凌峰. 论大跨建筑的混合结构设计［J］．城市建设，2009，（34）：142-144.[26] 胡世德．北京大跨度建筑的发展与展望［J］．建筑技术，2000，31（10）：664-668.[27] 王仕统．大跨度空间结构的进展［J］．华南理工大学学报(自然科学版)，1996，24（10）：17-24.[28] 李国强．当代建筑工程的新结构体系［J］．建筑学报，2002，（7）：22-26.[29] 侯昶，叶燕华. 建筑结构优化的现在与展望［J］．基建优化，1996，17（3）：8-13.[30] 汪树玉，刘国华，包志仁. 结构优化设计的现状与进展［J］．基建优化，1999，20（4）：4-14.[31] 陈国藩. 结构优化设计的新动向［J］．基建优化，1989，10（3）：8-21.[32] 吕大刚，王光远. 结构智能优化设计——一个新的研究方向［J］．哈尔滨建筑大学学报，1999，32（4）：7-12.[33] 杨雅婷，刘敏，王斌. 浅析建筑结构优化设计方面的问题［J］．科技视野，2012，（28）：298，315.[34] 黄勉．大底盘多塔商住楼的结构设计［J］．住宅科技，2005，（8）：8-12.[35] 王华，徐慧芳，陈栋等．东方之门北裙房结构设计［J］．建筑结构，2009，39（增刊）：248-250.[36] 唐增洪，胡鸣，莫德明等. 珠海某酒店超高层大跨度混合结构设计［J］．建筑结构，2011，41（增刊）：454-457.[37] 孟宪亮，邹国萍．大跨度钢屋盖与底部混凝土混合结构工程分析［J］．四川建筑，2009，29（9）：213-215，219.[38] 董衍伟．钢—混凝土混合结构工程应用［J］．科技向导，2011，（30）：183.[39] 蒋周刚，张宏涛，王友国．钢—混凝土混合结构研究概述［J］．山西建筑，2006，32（19）：58-59.[40] 黄宇星，祝磊，张艳霞．钢—混凝土混合结构研究综述［J］．钢结构，2012，（增刊）：117-125.[41] 薛发．国外多层钢结构住宅的发展概况［J］．工程建设与设计，2004，（5）：3-4.[42] 林旭川，陆新征，叶列平．钢—混凝土混合框架结构多尺度分析及其建模方法［J］．计算力学学报，2010，（6）：469-495.[43] 姚泽良，白国良，党发宁等．某钢—混凝土混合结构动力振动响应分析［J］．武汉理工大学学报，2010，（5）：199-202.[44] 姚泽良，白国良，党发宁等. 基于梁单元的钢—混凝土混合结构非线性地震响应分析［J］．土木工程学报，2011，（8）：66-71.[45] 田丹丹，丁小军，冯成运. 基于不同含钢率的型钢混凝土柱—钢梁混合结构抗震分析［J］．甘肃科技，2011，（1）：92-95.[46] 阎兴华，朱清峰，苏志宏. 钢—混凝土混合结构节点抗震设计方法研究综述［J］．北京建筑工程学院学报，2006，（6）：1-6.[47] 孟宪平. 混凝土柱上轻钢屋盖房屋结构概念设计［J］．中国房地产业，2011，（9）：233.[48] 严慧．“杂交”结构的应用和发展［J］．工业建筑，1996，（6）：10-16.[49] 钱若军，沈祖炎．索穹顶结构［J］．空间结构，1995，1（3）：1-7.[50] 袁行飞，刘武文等．一种新型大跨空间结构——张拉整体索穹顶［J］．新建筑，2000，（2）：74-75.[51] 尹越，韩庆华等．一种新型杂交空间网格结构——弦支穹顶［J］．工程力学，2001，（增刊）：772-776.[52] 白正仙，刘习良等．新型空间结构形式——张弦梁结构［J］．空间结构，2001，7（2）：33-38.[53] 陈荣毅，董石麟．大跨度预应力张弦桁架结构的设计与分析［J］．空间结构，2003，9（1）：45-47.[54] 张恒春，严熙．中山大学风雨球场索—拱杂交结构设计［J］．华南理工大学学报(自然科学版)，2003，31（10）：86-89.[55] 董石麟．预应力大跨度空间钢结构的应用与展望［J］．空间结构，2001，7（4）：3-14.[56] 钱若军，董明等．索穹顶结构的特性及分析［J］．建筑结构学报，1998，19（2）：23-27.[57] 郭莉，付功义. 索在杂交结构体系中的应用［J］．四川建筑科学研究，2006，32（4）：33-36.[58] Charles. W. Roeder. Overview of Hybrid and Composite System for SeismicDesign in the United States [J]. Engineering Structures, 1998，（4）: 6.[59] Franklin Y. Cheng. Inelastic Analysis of 3D Mixed Steel and ReinforcedConcrete Seismic Building Systems [J]. Computers &Structures, 1981，（13）:189-196.[60] Subhash C. Goel. United States—Japan Cooperative Earthquake EngineeringResearch Program on Composite and Hybrid Structures [J]. Structural Engineering，2004，（130）: 157-158.[61] Gregory G. Deierlein，F.ASCE，and Hiroshi Noguchi et al. Overview of U.S.—Japan Research on the Seismic Design of Composite Reinforced Concrete and Steel Moment Frame Structures [J]. Structural Engineering，2004，（130）: 361-367.[62] Xuemei Liang and Gustavo J. Parra-Montesinos. Seismic behavior of reinforcedconcrete column—steel beam subassemblies and frame systems [J]. Structural Engineering，2004，（130）: 310-319.。