142x
002056
2026-07-20

正常使用极限状态下的截面优化

在本篇专业技术文章中,您将了解在 RFEM 6 和 RSTAB 9 的设计模块中,用于正常使用极限状态的截面优化是如何工作的。

在正常使用极限状态下,主要检查变形并与容许的极限变形进行比较。为了使截面尺寸满足容许的极限变形要求,需要对杆件截面进行相应的设计。为此,RFEM 6 和 RSTAB 9 提供了一种自动化的截面优化功能,本文将对其进行说明。

应用范围

正常使用极限状态下的截面优化功能适用于以下模块:

  • 钢结构设计
  • 木结构设计
  • 铝合金结构设计

该功能支持程序中所有可用的设计标准。

在程序中的输入

在表格中切换到相应设计模块的 输入数据 → 截面 选项卡。
在“使用其他截面进行优化”列中,为所有需要优化的截面选择“优化”选项。

现在可以开始进行设计。程序会自动确定最经济的截面。设计完成后,您可以检查优化后的截面,并在必要时将其直接应用到模型中。

信息

截面优化始终针对所有定义的设计状况(例如,承载能力极限状态 + 正常使用极限状态)进行。因此,其他设计状况也可能对截面优化起控制作用。

工作原理

正常使用极限状态下的截面优化与承载能力极限状态类似,采用迭代方式进行。利用结构分析中得出的现有内力和变形进行设计验算。如果验算不满足,截面将会增大。反之,如果所有验算均满足,截面将会减小。在此过程中,内力和变形不会重新计算,因此这种方法尤其对于非线性系统而言是一种近似解,但在常规情况下对于初步设计来说已经足够。
在正常使用极限状态下,其特殊之处在于截面属性并不直接出现在验算公式中,因为这里仅将存在的变形与容许变形进行比较。
为解决此问题,验算公式中引入了一个系数 α,该系数表示了优化后截面的惯性矩与初始截面惯性矩的比值。最终,验算利用率会乘以该系数。

对于一般情况(在合轴方向上的变形验算),系数 α 的计算公式如下。

对于在局部轴线方向上的变形验算,表达式简化为:

信息

为了精确计算,建议您在优化完成后,将优化后的截面更新到主系统中并重新进行验算。这可能会导致内力和变形发生轻微变化。通过此步骤,您可以快速为您的系统找到最佳截面,同时确保计算的精确性。

特殊情况

正常使用极限状态下的截面优化需满足两个前提条件。如果其中任何一个条件未满足,则不会对相关杆件或验算项进行优化。条件如下:

  • 选择了变形参照“变形后的节段端点”

变形参照“未变形系统”不适用于截面优化。原因是,例如在多高层建筑中,杆件的总变形主要由建筑物的整体倾斜所决定。单个截面的增大对这种变形影响很小,因此在这种情况下进行优化往往会导致不合理的结果。

  • 截面无起拱

定义了起拱的杆件将被排除在截面优化之外。


作者

Niklas 从事钢结构领域的产品工程工作,并且还在客户支持中提供协助。他将自己的开发经验有针对性地应用于技术问题。



;