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毕业设计（论文）开题报告
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（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 091039
2013 年3 月10 日
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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。
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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CAI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
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同济大学土木工程本科毕业设计(论文)开题报告刘射洪
