第 1 章 绪论
1.1 选题背景及意义
1.1.1 选题背景
长期以来，传统的建筑行业粗放式增长模式容易造成环境破坏、资源和能源的大量浪费，形成资源和能源供给困难的隐忧，限制建筑行业的健康可持续发展。为了更好地顺应当前我国新时期生态与社会文明建设及其高质量发展需求，带来更多经济、环境和社会效益，建筑行业迫切需要在新时期全面实施绿色建造工程的重要战略举措，使得建筑行业得到转型升级与快速发展。装配式建筑因具有节省资源、减轻污染、提升效率等优势，符合绿色可持续发展的目标，成为绿色建筑的首选。 我国的装配式建筑正处于发展过程中，主要采用钢筋混凝土预制建筑构件，其次为钢预制建筑构件[1]。国外的装配式建筑相对成熟，提供了可借鉴的参考。现阶段欧盟正面临一个问题，那就是“建筑拆卸废物”[2]。建筑拆卸废物（Construction and Demolition Waste，CDWs）通常由惰性矿物材料（混凝土、砖、瓦和陶瓷等）组成，其他成分（如木材、玻璃、石膏板、沥青混合物和焦油）的含量较低[3]。根据欧盟发布的官方数据[4]，CDWs 是欧洲主要的废弃物来源之一，其清洁发展指数约占经济活动和家庭产生的总废物的三分之一，而在欧盟 28 国，每年总废物约为25-30 亿吨。因此，欧洲的 CDWs 流每年约为 8-10 亿吨。由此更加显现出装配式钢结构的优势，它比装配式混凝土结构更绿色环保。2020 年，为控制疫情而建造的“火神山”和“雷神山”医院[5-6]，堪称“世界奇迹”（用 10 天的时间建成了建筑面积为 3.4 万平方米的火神山医院，用 12 天的时间建成了建筑面积为 7.99 万平方米的雷神山医院），也让人们更加感受到装配式钢结构建筑在建造速度上的领先优势。因此装配式钢结构建筑更适应我国绿色环保的要求，更具有可持续发展的潜力。装配式钢结构建筑项目成果图如图所示：图 1-1 为上海碧海金沙嘉苑别墅，图 1-2 为火神山医院，图 1-3 为雷神山医院，图 1-4 为杭州市萧山区人才公寓。
图 1-1 上海碧海金沙嘉苑别墅
1.2 结构优化
1.2.1 结构优化的内容
结构优化设计是一门具有综合价值的学科，一般包括力学、数学、计算机科学和其他工程类学科。它的目的是在各种荷载情况和结构材料的作用下，做出安全、经济的结构设计。将所有的要求、限制都作为一种约束，将自己所有想要完成和实现的目标（如经济指标）作为目标函数，以结构类型、尺寸等设计参数作为目标的设计变量，建立一个能够进行最终优化的数学模型，利用可以进行优化的算法对数学模型进行求解。
1.2.2 结构优化的方法
结构优化设计按照结构设计变量的不同，一般可以划分为结构尺寸优化、结构形状优化、结构拓扑优化三个维度。尺寸优化为优化结构的参数，比如杆件的横截面积，使其尺寸达到最小，故又被我们统称为参数优化；形状优化为优化结构的几何形状，是以结构的几何边界作为一种优化变量，比如连续体结构的边界形状参数；拓扑优化为优化结构的拓扑结构，其主要思想是寻求一个给定区域内材料的最优分布。
1.2.3 结构优化的研究现状
结构优化研究有一个长久的探究过程，它的历史可以追溯至 1854 年 Maxwell[14]首次针对桁架结构布局设计进行了优化和研究。随后，1904 年 Michell[15]通过对共面力作用于特定位置的桁架，在各种应力约束下的布局方式进行了优化和研究，得到一种可以完全满足轻量化设计要求的最优桁架，并将其命名为 Michell 准则，为之后的优化设计理论奠定了重要的基础。
随着科学技术的发展，结构优化的研究得到快速进展。Cox[16]证明了 Michell桁架同时是一定约束下的最小柔度设计。Hemp[17]对 Michell 准则的缺陷进行了改进。Rozvany[18]在Michell准则中做了进一步修改，并提出一批Michell桁架解析解。1964 年，Dorn 等人[19]首次成功提出基结构法，他们将传统的数值理论与结构优化进行有机融合。随后，Bendsøe 和 Kikuchi[20]推出了“均匀化”的优化方法。在这些年里，中外研究学者也不断推陈出新，提出了许多不同的方法，如变密度法[21-23]、水平集法[24-26]、渐进法[27-28]、拓扑导数[29-30]、双向渐进[31-33]、相场法[34]、离散伴随变量法[35]等。近年结构优化得到不断发展，取得显著成果，如 Ypsilantis 等人提出了一种在三维网格单元上进行均匀化的方法，将网格单元的半径作为均匀化过程的交替参数；不同的半径值会导致不同的单元结构，从而产生不同的等效属性[36]。席亮、王瑞东提出了一种自适应遗传算法并用于寻找最优的神经网络结构[37]。Ali等人对基于水平集的柔性多体系统拓扑优化进行有效伴随灵敏度的分析[38]。
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第 2 章 梁柱节点的连接方法与设计
2.1 梁柱节点的连接方法
钢框架梁柱节点连接方式的设计是钢框架结构工程设计中的重要组成部分，梁柱节点连接方式的安全与否，对于钢框架结构工程的整体性和可靠度、施工过程中的质量和技术进度以及工程全生命周期长短和费用均具有直接影响。所以钢框架梁柱节点连接方式的选择就显得尤为重要。节点连接的命名取决于连接中两个构件之间的力矩如何对构件的相对旋转传递的假设。假设在刚性接头中，施加力矩时不会产生相对旋转；在铰接的情况下，可以想象力矩不会对施加的相对旋转产生影响；而半刚性节点处于两者之间。具体表现为：刚性连接节点具有良好的强度和刚度，刚性连接节点在我国的应用较广泛。它的主要优点是力学性能好，能抵抗风荷载和水平地震所引致的位移；它的缺点是构造复杂、建造难度大。铰接式连接节点的柔性比较大，其仅是在钢梁腹板的一个部分采用了高强度螺栓对其进行了连接，而且钢梁的上下翼缘也无须进行现场焊接。它的主要优点为构造简单，安装速度快，且完全不受恶劣的天气和季节温度变化的因素所影响；它的缺点为刚度差，不利于结构抗风抗震。半刚性连接节点的旋转刚度和强度介于铰接节点和刚性连接节点之间，但由于目前我国规范没有提出明确的计算和设计方案，且连接节点转动的刚度很难确定，很容易与实际造成很大的偏差，因此在工程中一般很少采用。
钢框架梁柱节点的连接方式多数采用刚性连接，因为该类型梁柱节点的主要承载力与梁柱的抗弯连接需要具有一个足够的连接强度与抗弯刚度，满足“强节点，弱构件”的抗弯连接标准，因此在抗侧力钢结构框架和梁柱的抗弯连接中，刚性连接节点更适用。梁柱刚性连接节点按其基本连接结构中所需要连接的节点形式大致可以划分为三种：全焊接节点、全栓接节点、栓焊连接节点。
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2.2 梁柱节点的设计
近几十年来，人们对计算机辅助系统[63]的设计进行了大量的研究，并开发了多种设计方法，包括基于数学规划理论、计算力学和拓扑优化的方法。拓扑优化是一个非常复杂的计算过程，因为它同时包括布局优化和最佳截面设计的元素。拓扑优化是一种通过对给定设计领域确定最佳材料分布的技术手段，它可以在满足一系列约束的同时最小化给定的成本函数。与结构的尺寸和形状优化相比，拓扑优化的复杂程度和困难程度被认为是在结构优化领域挑战性极高的一项工作。
本章主要对钢框架梁柱节点的连接方式和在设计中重点的验算内容进行介绍。在钢框架结构中，梁柱节点一直是设计中的重中之重。梁柱节点工作是否安全可靠是衡量一个结构在地震来临时能否保证“小震不坏、中震可修、大震不倒”的重要因素，因此梁柱节点的选取和设计至关重要。上面对三种刚性节点分别做了介绍，我们认识到它们各有优劣。全焊接节点在工业领域应用较多，事实证明，它在节点强度方面比高强螺栓要好很多，在建造工业厂房方面具有很大的优势。高强螺栓连接节点可以加快施工进度，但是其在节点处产生的附加弯矩较大，在设计中螺栓的数量不容易把控，且高强螺栓的价格太高，不经济，一般用来建造民用高层建筑。栓焊连接节点在受力方面处于全焊接节点和全栓接节点之间，在有些人看来属于较好的半刚性节点，在我国应用很广泛，具有很好的发展前景。在建筑设计中，主要考虑到了梁柱节点的承受力，且通过综合参考《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)、《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-2015)、《钢结构设计标准》(GB50017-2017)等总结得出了一般建筑所需要验算的具体内容，包括梁柱节点的极限承载力验算以及梁柱节点节点域的最大承载力验算。
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第 3 章 连续体结构拓扑优化方法....................35
3.1 变密度方法....................35
3.2 拓扑导数法....................35
第 4 章 梁柱节点的建模与分析....................38
4.1 工程概况....................38
4.2 Ansys 软件的应用基础....................38
第 5 章 梁柱节点的拓扑优化....................45
5.1 梁柱节点的优化研究.....................45
5.2 梁柱节点的拓扑优化.....................45
第 5 章 梁柱节点的拓扑优化
5.1 梁柱节点的优化研究
近年来，随着我国对装配式建筑的大力推广以及人们对结构经济性的追求，装配式钢框架梁柱节点的优化研究越来越得到人们的重视。梁柱节点作为传递剪力和弯矩的重要部位，它性能的好坏直接关系到结构的整体反应。学者们不断地总结了梁柱节点在抗震过程中的受力特征，提出了许多改进后的梁柱节点，大致分成两种类型：一是加强型梁柱节点，二是削弱型梁柱节点。
图 5-1 加强型梁柱节点
结论与展望
结论
梁柱节点是结构中的枢纽部位，它承担着连接梁和柱两大构件的作用。在节点处会承受来自梁端和柱端传来的轴力、剪力和弯矩，且还会承受因节点自身原因产生的焊接残余应力等，其受力复杂。由于节点的特殊性，必须严格要求在节点连接处具有足够的强度和刚度，以抵抗相邻构件的各种荷载，使结构的安全性和可靠性得到充分保障。节点的优化一直是建筑业内的重点研究对象，在多种优化方案中，狗骨式节点得到多数专家和学者的认可，已经在我国钢结构中大量使用。本文结合工程实例，对梁柱节点的优化展开研究，主要得出如下结论：
（1）通过国内外相关研究现状的对比、传统梁柱节点的受力分析、结构拓扑优化内容的说明，表明钢结构具有很大的发展前景，且在钢结构设计中，梁柱节点的优化设计具有重要的意义。
（2）采用工程实例中的梁柱节点，运用 Ansys 软件，对其进行仿真模拟和有限元分析，通过分析位移云图和应力云图，表明该节点的钢梁在焊缝处最容易发生破坏、连接板主要是沿着螺栓发生破坏、钢柱的破坏主要发生在节点域位置、螺栓在螺母和栓杆相接处最容易发生破坏。
（3）本文主要是对梁柱节点进行拓扑优化设计，即通过材料的重分布得到最优的节点。主要运用 Ansys 软件中的 Workbench 模块对其参数设定，自动生成拓扑优化后的节点，并通过与原节点的对比分析，表明拓扑优化得到的节点与原节点的应力和位移相当，但是使材料得到充分利用，且具有经济性，更符合“绿色”的理念。
参考文献（略）