中高层住宅结构体系优化设计研究

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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。
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