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框架—剪刀墙结构的优化研究

作　者: 贺维维
导　师: 简政；司建辉
学　校: 西安理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 框剪结构结构优化最佳刚度特征值剪力墙中断
分类号: TU398.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 174次
引　用: 1次
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内容摘要

高层建筑投资大,建设周期长,对其进行优化设计以期获得最优结构方案并节约投资,一直是结构工程师所努力的。本文针对高层建筑结构中常见的框剪结构的优化做了深入的研究,为结构设计人员在设计时提供了有价值的参考,对结构优化设计具有很好的工程应用价值。本文着重探讨基于位移的框剪结构的优化设计。在总结了前人所做实验成果的基础上,得出了抗震结构设计时要有效的控制层间位移和顶层位移的结论,选择变形作为描述抗震结构的性能参数不仅可以较好的体现结构构件的损伤程度,而且能够用以控制非结构构件的性能水平。在结构的梁柱的截面大小、框架的剪切刚度基本确定的情况下,剪力墙的刚度由结构的刚度特征值确定。本文根据框剪结构的协同工作原理,通过引用前人总结的关于内力和位移的表达式,提出一种求解结构最佳刚度特征值的方法。然后基于结构顶点位移限值,建立了剪力墙数量优化数学模型,推导出剪力墙最佳刚度的表达式,并结合工程实例,用上述方法对剪力墙进行刚度优化,并选取3种剪力墙模型,用PKPM中的SATWE软件进行比较计算,验证了此优化方法能比较合理地确定剪力墙的刚度和数量。从不同部位中断剪力墙,会对框剪结构产生截然不同的效果。本文从理论上探讨了剪力墙中断对框剪结构的影响,并结合实际工程,利用大型有限元软件ETABS建立了三维模型,通过对3种模型的计算结果进行分析对比,表明从反弯点中断剪力墙往往是不够安全的,而从剪力墙剪力为零点以上中断则不会对原结构产生明显影响,且能减小结构顶部水平位移及层间位移角,有效地降低结构整体剪力和弯矩,提高结构的整体刚度。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
1 绪论  9-21
  1.1 研究背景  9-11
    1.1.1 高层建筑结构的发展沿革  9-10
    1.1.2 高层建筑结构的分类  10
    1.1.3 我国高层建筑结构的发展现状  10-11
  1.2 研究的意义  11
  1.3 框架—剪力墙结构协同工作的受力特点和分析方法介绍  11-12
  1.4 高层建筑结构的优化设计  12-18
    1.4.1 结构优化设计的发展历程  12-13
    1.4.2 结构优化设计在工程实践方面新的进展  13-14
    1.4.3 国外经验  14-15
    1.4.4 国内经验  15-17
    1.4.5 结构优化设计展望  17-18
  1.5 高层建筑结构优化的层次  18-19
  1.6 本论文的主要工作  19-21
2 基于位移的框剪结构优化设计的理论基础  21-27
  2.1 刚度退化与层间侧移角的量化关系  21
  2.2 剪力墙模型试验数据及分析  21-23
  2.3 刚度退化对框架—剪力墙结构内力的影响分析  23-24
  2.4 抗侧力结构和构件的延性设计  24-27
3 框架—剪力墙结构分析  27-51
  3.1 框架—剪力墙结构协同工作原理  27-28
  3.2 框架—剪力墙结构的内力和位移计算  28-37
    3.2.1 基本假定和计算简图  28-30
    3.2.2 框—剪铰结体系在水平荷载作用下的协同工作计算  30-37
  3.3 最佳刚度特征值区间的探讨  37-46
    3.3.1 框架—剪力墙结构的侧移变形分析  38-40
    3.3.2 框架—剪力墙结构的剪力墙弯矩竖向分布分析  40-42
    3.3.3 框架—剪力墙结构中剪力墙、框架水平剪力竖向分布分析  42-44
    3.3.4 框架—剪力墙结构中楼盖受力分析  44-46
    3.3.5 框架—剪力墙结构最佳刚度特征值  46
  3.4 框架抗剪刚度和剪力墙抗弯刚度的计算  46-48
    3.4.1 框架侧移刚度和剪切刚度的计算  46-47
    3.4.2 剪力墙抗弯刚度的计算  47-48
  3.5 结构最大层间侧移角和顶点位移  48
  3.6 基于规范位移限值确定结构最佳刚度特征值  48-51
4 地震作用下剪力墙抗侧刚度和数量的优化  51-61
  4.1 引言  51-53
  4.2 剪力墙的布置  53-54
    4.2.1 基本原则  53
    4.2.2 剪力墙布置位置的选择  53
    4.2.3 剪力墙布置的具体要求  53-54
  4.3 建立基于顶点位移限值的剪力墙抗侧刚度优化的数学模型  54-57
    4.3.1 结构基本自振周期与框剪结构抗侧刚度的关系  54-55
    4.3.2 约束条件  55-56
    4.3.3 框架梁柱节点受剪承载力要求  56-57
    4.3.4 建立剪力墙抗侧刚度优化的数学模型  57
  4.4 优化模型的解  57-61
    4.4.1 由协同工作的微分方程求结构顶点位移  57-58
    4.4.2 结构基本自振周期的计算  58-59
    4.4.3 剪力墙刚度的计算  59-61
5 工程实例  61-77
  5.1 工程概况  61-62
    5.1.1 结构的初始方案  61
    5.1.2 设计参数  61-62
    5.1.3 剪力墙的初始布置方案  62
  5.2 剪力墙的优化计算  62-65
    5.2.1 求解框架的横向剪切刚度  62-63
    5.2.2 结构的最佳刚度特征值  63-64
    5.2.3 确定剪力墙横向最佳抗弯刚度  64
    5.2.4 横向布置的剪力墙抗弯刚度  64-65
  5.3 对优化方案进行分析  65-76
    5.3.1 结构各楼层的刚度中心、质量中心和相邻层侧移刚度比值  66-68
    5.3.2 结构自振周期、有效质量系数  68
    5.3.3 水平地震作用标准值、地震剪力和地震倾覆弯矩  68-70
    5.3.4 结构层间位移角和最大水平位移  70-72
    5.3.5 剪力墙与框架柱的弯矩、剪力分配  72-75
    5.3.6 构件的弹塑性变形能力  75
    5.3.7 刚重比  75-76
  5.4 本章小结  76-77
6 框剪结构的剪力墙适宜高度分析  77-97
  6.1 引言  77
  6.2 理论分析  77-79
  6.3 框—剪结构剪力墙中断模型分析  79-81
    6.3.1 工程概况  80
    6.3.2 建模情况  80-81
  6.4 框剪结构剪力墙中断的有限元模型计算结果对比分析  81-96
    6.4.1 三种模型的自振周期对比  81
    6.4.2 地震波的选取  81-84
    6.4.3 时程位移分析  84-89
    6.4.4 时程剪力分析  89-94
    6.4.5 时程弯矩分析  94-96
  6.5 本章小节  96-97
7 结论与展望  97-99
  7.1 主要结论  97-98
  7.2 不足与展望  98-99
致谢  99-101
参考文献  101-103
附录  103

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