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中高层住宅结构体系优化设计研究

作　者: 秦力
导　师: 宋玉普
学　校: 大连理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 中高层住宅模糊分析选型优化异形柱框一剪结构剪力墙抗侧刚度优化分析剪力墙最优布置剪力墙适宜高度
分类号: TU318
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

本文主要开展了以下工作： 1．简要介绍了中高层住宅常用的钢筋混凝土结构体系及其优缺点，指出中高层住宅结构体系优选是一个多目标的有着许多不确定影响因素的综合决策问题，其直接关系到住宅结构型式是否合理、业主投资成本的高低和用户的使用方便。在查阅大量文献资料、总结大量工程经验和专家调查的基础上，建立了中高层住宅结构体系优选影响因素关系图，详细阐述了如何利用非结构性模糊集分析单元系统理论计算结构优选影响因素的权重分配系数和评价矩阵，即在对系统进行分解和综合的基础上，充分运用人的经验与知识，对大量复杂的定性因素，反复就模糊概念(重要性和优越性)进行二元相对比较与量化，并根据我国语言与思维的习惯，以互补性准则作为二元对比的判断准则。最后以具体的工程实例阐述了优化选择中高层住宅结构体系的全过程。 2．场地条件和抗震设防烈度是影响中高层住宅设计和施工的两个重要因素。针对常用的中高层住宅结构体系的特点，综合考虑一次投资费用、灾后损失及维修费用、结构整体刚度、结构整体延性、施工工期、施工难度等多项因素，建立了基于场地条件和抗震设防烈度的中高层住宅结构选型多目标优化模型，并采用三标度层次分析法，同时引入梯形模糊数的概念，提出了三标度模糊层次分析法(T-FAHP)。通过工程实例分析表明，利用该模型，可选择出适合给定场地条件和抗震设防烈度的中高层住宅的最佳结构型式，并为中高层住宅的初步设计提供依据和参考。 3．利用异形柱框架-剪力墙结构空间协同工作的基本微分方程给出异形柱框架楼层剪力与框架-剪力墙结构刚度特征值的关系式，并通过简要介绍改变剪力墙弯曲刚度的几种方法，分析在中高层异形柱框架-剪力墙结构设计中，剪力墙的弯曲刚度发生改变时异形柱框架楼层剪力的变化情况及L形柱、T形柱的内力(轴力和剪力)的变化情况，并通过工程算例分析说明调整剪力墙的数量和优化剪力墙抗侧刚度时均不需考虑异形柱内力的变化，可将异形柱截面尺寸当作常量。 4．综合考虑剪力墙的剪切变形、异形框架柱的轴向变形和连梁刚度对异形柱框架-剪力墙结构的抗侧刚度的影响，利用连续化方法建立异形柱框架-剪力墙结构空间协同分析的基本微分方程，并在倒三角形分布水平荷载作用下求解此基本微分方程，给出了抗震设防区的中高层钢筋混凝土刚接异形柱框架-剪力墙结构体系的剪力墙抗侧刚度的优化分析模型。该模型采用底部剪力法分析剪力墙抗侧刚度与水平地震作用的相互关系，同时考虑了层间位移约束条件和刚重比、剪重比等构造要求，最后结合新规范给出了模型的数值解。该模型适用于高度不超过40m且质量和刚度沿高度分布比较均匀的中高层异形柱框架-剪力墙结构住宅。通过工程实例计算结果表明，利用该优化模型可为结构设计人员在初步设计和施工图设计时提供一种确定剪力墙最优抗侧刚度的方法，具有很好的工程应用价值。 5．综合考虑剪力墙的剪切变形、异形框架柱的轴向变形和连梁刚度对异形柱框架-剪力墙结构的抗侧刚度的影响，利用框架-剪力墙结构空间协同分析的连续-离散化方法，按楼层划分单元并推导单元的内力、位移关系式，给出了抗震设防区的中高层钢筋混凝土刚接异形柱框架-剪力墙结构体系的剪力墙抗侧刚度的优化分析模型。该模型采用振型分解反应谱法计算水平地震作用，并同时考虑层间位移约束条件及刚重比、剪重比等构造要求。该优化模型的优点是具有和连续化方法相同的精度，不会引起由于离散大连理工大学博士学位论文而带来的二次误差，适用于各种情况下的中高层异形柱框架一剪力墙结构住宅，同时当剪力墙的抗侧刚度沿结构高度发生变化时，仍可进行抗侧刚度优化分析。最后工程算例分析结果表明本优化模型可行、有效。 6.根据异形柱框架一剪力墙结构的工作特点，采用多垂直杆墙元的改进模型模拟剪力墙，分析研究了剪力墙的最优布置问题。简单推导了模型的单元刚度矩阵形式，并给出剪力墙垂直杆的轴向恢复力模型及水平剪切恢复力模型，同时建立了受层间位移约束的纵横向剪力墙最优布置的优化设计方法，并编制了电算程序。工程实例分析结果表明，多垂直杆墙元改进模型具有较好的计算精度，利用此模型建立的剪力墙最优布置优化方法可供结构设计人员在初步设计阶段方便、快捷、准确地确定异形柱框架一剪力墙结构中剪力墙的最优位置。最后结合工程实例分析探讨了异形柱框架一剪力墙结构中剪力墙的适宜高度，指出剪力墙没有必要延伸到整个框架一剪力墙结构高度，可根据具体情况进行删减。

全文目录

第一章绪论  12-37
  1.1 选题背景  12-14
  1.2 多、高层住宅存在的问题  14-16
    1.2.1 多层住宅优势及存在的问题  14
    1.2.2 高层住宅的优缺点  14-16
  1.3 中高层住宅的优势  16-19
    1.3.1 中高层住宅的提出  16-17
    1.3.2 中高层住宅的优越性  17-18
    1.3.3 中高层住宅发展中存在的问题  18-19
  1.4 中高层住宅结构体系评析  19-27
    1.4.1 矩形柱框架结构体系  20
    1.4.2 大开间剪力墙结构体系  20-21
    1.4.3 短肢剪力墙结构体系  21-22
    1.4.4 异形柱框轻及框剪结构体系  22-25
    1.4.5 矩形柱框架-剪力墙结构体系  25
    1.4.6 配筋砌体结构  25-26
    1.4.7 新型结构组合体系  26-27
  1.5 高层建筑结构体系优选和结构体系优化的研究现状  27-30
  1.6 本文的主要工作  30-31
  参考文献  31-37
第二章用模糊分析决策理论优选中高层住宅结构体系  37-50
  2.1 引言  37-38
  2.2 中高层住宅的基本结构型式  38-40
    2.2.1 矩形柱框架结构  38
    2.2.2 大开间剪力墙结构  38-39
    2.2.3 短肢剪力墙结构  39
    2.2.4 异形柱结构  39
    2.2.5 框架-剪力墙结构  39
    2.2.6 配筋砌体结构  39-40
  2.3 建立选型优化指标体系  40-41
  2.4 非结构性决策模糊集分析单元系统理论  41-45
    2.4.1 非结构性决策基本单元系统输入求解原理  41-44
    2.4.2 基本单元系统因素权重的求解原理  44
    2.4.3 综合单元系统的求解  44-45
  2.5 应用实例  45-48
  2.6 结论  48
  参考文献  48-50
第三章基于场地条件和抗震设防烈度的中高层住宅结构方案优选  50-61
  3.1 引言  50-51
  3.2 建立递阶层次结构模型  51-52
    3.2.1 场地条件和抗震设防烈度  51-52
    3.2.2 建立递阶层次结构模型  52
  3.3 T-FAHP评判模型  52-56
    3.3.1 确定模糊判断矩阵  52-55
    3.3.2 单一准则下各指标相对权重的计算  55
    3.3.3 层次总排序  55-56
    3.3.4 模糊数的排序  56
  3.4 应用举例  56-58
    3.4.1 工程概况  56
    3.4.2 提供备选方案集  56
    3.4.3 层次分析过程  56-58
  3.5 结论  58-59
  参考文献  59-61
第四章剪力墙刚度变化对异形柱内力的影响分析  61-72
  4.1 引言  61-62
  4.2 改变剪力墙弯曲刚度的方法  62-63
    4.2.1 提高或降低混凝土强度等级  62
    4.2.2 增大或减小单肢剪力墙的厚度和长度  62
    4.2.3 增加或减少剪力墙的肢数  62-63
  4.3 异形柱框架楼层剪力与框-剪结构刚度特征值的关系  63-66
    4.3.1 异形柱框架楼层剪力的求解  63-64
    4.3.2 异形柱框架楼层剪力与λ的关系  64-66
  4.4 异形柱结构计算分析软件介绍  66
  4.5 算例  66-70
  4.6 结论  70
  参考文献  70-72
第五章中高层异形柱框架-剪力墙结构的剪力墙抗侧刚度优化分析  72-86
  5.1 引言  72-73
  5.2 剪力墙抗侧刚度优化的数学模型  73-78
    5.2.1 刚接异形柱框架-剪力墙结构基本微分方程的解  73-75
    5.2.2 选取优化设计变量  75
    5.2.3 结构基本自振周期与剪力墙抗侧刚度的关系  75-76
    5.2.4 层间位移约束条件  76-77
    5.2.5 中高层建筑结构构造要求  77-78
    5.2.6 建立剪力墙抗侧刚度优化数学模型  78
  5.3 优化数学模型的解  78-82
    5.3.1 目标函数--水平地震作用  78-79
    5.3.2 约束条件  79-81
    5.3.3 构造要求  81
    5.3.4 异形框架柱剪切刚度的计算  81-82
    5.3.5 剪力墙抗侧刚度优化数学模型的数值解  82
  5.4 算例  82-83
  5.5 结论  83-84
  参考文献  84-86
第六章中高层异形柱框-剪结构的剪力墙抗侧刚度优化模型的改进  86-98
  6.1 引言  86-87
  6.2 刚接异形柱框-剪结构协同分析的连续-离散化方法  87-91
    6.2.1 建立楼层单元刚度矩阵  87-90
    6.2.2 结构总体刚度矩阵的建立及求解  90-91
  6.3 建立剪力墙抗侧刚度优化数学模型  91-95
    6.3.1 目标函数--水平地震作用的计算  91-94
    6.3.2 选取优化设计变量  94
    6.3.3 异形框架柱剪切刚度的计算  94
    6.3.4 约束条件  94
    6.3.5 建立剪力墙抗侧刚度优化模型  94-95
  6.4 算例  95-96
  6.5 结论  96
  参考文献  96-98
第七章中高层异形柱框-剪结构的剪力墙最优布置及适用高度分析  98-115
  7.1 引言  98-100
  7.2 剪力墙多垂直杆单元改进模型  100-102
    7.2.1 剪力墙单元总应变能的确定  100-101
    7.2.2 剪力墙多垂直杆单元的刚度矩阵  101-102
  7.3 剪力墙的恢复力模型  102-105
    7.3.1 剪力墙垂直杆的轴向恢复力模型  102-104
    7.3.2 剪力墙水平剪切弹簧恢复力模型  104-105
  7.4 剪力墙最优布置及适用高度分析方法  105-107
    7.4.1 剪力墙布置基本要求  105-106
    7.4.2 剪力墙最优布置确定方法  106-107
    7.4.3 剪力墙适宜高度的确定  107
  7.5 工程算例及分析  107-112
    7.5.1 工程实例介绍  107
    7.5.2 剪力墙最优布置分析  107-109
    7.5.3 剪力墙适宜高度分析  109-112
  7.6 结论  112
  参考文献  112-115
第八章结论与展望  115-118
  8.1 本文的主要结论  115-116
  8.2 研究前景展望  116-118
创新点摘要  118-119
作者攻读博士学位期间发表的论文  119-120
致谢  120-121
大连理工大学学位论文版权使用授权书  121-122

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