钢筋混凝土框架剪力墙结构优化设计研究

摘要

结构优化设计是近年来国内外工程界和学术界共同关注的课题，它集数学、力学和计算机技术为一体，促使结构设计向着更加经济、安全、合理的方向发展。在当今的建筑工程中，框架-剪力墙结构因其造价低、受力性能合理、易于标准化施工等优点而被广泛采用，因此对框架-剪力墙结构进行优化十分必要。这一问题已经引起众多结构设计人员的关注。 本文以邯郸市某九层钢筋混凝土框-剪结构住宅楼为例，综合考虑恒荷载、活荷载以及地震作用等实际工程概况，应用PKPM结构设计软件对结构进行传统的结构设计，提取SATWE计算结果中的相关参数，如:轴压比、周期比、位移比、剪重比、刚重比、刚度比、层间位移等，对比现行的设计规范，验证各项参数的合理性。在设计好的既有结构基础上，利用有限元设计软件ANSYS进行数值模拟，以梁、柱构件截面尺寸及剪力墙的厚度为设计变量，以结构的承载能力、层间位移角等为约束条件，考虑双向地震作用的条件下，以整体耗用建筑材料费用最少为目标进行优化。通过静力分析、地震反应谱分析和优化分析，得到优化后的结构钢筋总量减少了6.68％，混凝土总量减少了7.26％。重新应用优化后的结构尺寸建立PKPM设计模型，比较分析可知各项参数均满足设计要求，同时体现了该优化方案的经济性。 本文根据工程实例建立的钢筋混凝土框架剪力墙结构数值分析模型完全符合相关结构设计规范的要求，对该模型分析和优化的方法能应用于结构设计中，并对钢筋混凝土结构以及其他相关结构的优化设计提供一定的参考。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．1．1 国外高层建筑结构的发展

1．1．2 我国高层建筑结构的发展

1．1．3 问题的提出

1．2 研究意义

1．3 结构优化设计国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．3．3 当前研究存在的问题

1．4 本文主要工作及研究内容

1．5 本章小结

第2章 结构优化设计理论与方法

2．1 结构优化设计的基本原理

2．2 结构优化设计的数学模型

2．3 结构优化设计的分类

2．4 结构优化设计的算法

2．4．1 准则设计法

2．4．2 数学规划法

2．4．3 数学规划法和准则法的结合

2．5 本章小结

第3章 框架-剪力墙结构分析

3．1 框-剪结构协同工作原理

3．2 框-剪结构中剪力墙的布置

3．2．1 剪力墙的布置要点

3．2．2 剪力墙的布置优化

3．3 框-剪结构中剪力墙的位移和内力计算

3．3．1 基本假定及计算模型

3．3．2 框-剪铰接体系协同工作计算

3．4 结构优化设计的效果评价指标

3．5 本章小结

第4章 工程应用

4．1 工程概况

4．1．1 结构的基本参数

4．1．2 结构初始方案

4．1．3 剪力墙的布置方案

4．2 结构优化方案的对比分析

4．2．1 结构各楼层的质量中心、刚度中心

4．2．2 相邻各层侧移刚度比

4．2．3 整体稳定性验算

4．2．4 剪重比的对比分析

4．2．5 结构自振周期、有效质量系数

4．2．6 柱和剪力墙最大轴压比

4．2．7 结构最大水平位移

4．3 本章小结

第5章 基于ANSYS的结构优化

5．1 ANSYS程序介绍

5．1．1 ANSYS功能简介

5．1．2 ANSYS有限元分析过程

5．2 常用ANSYS单元介绍

5．2．1 BEAM4单元描述

5．2．2 SHELL63单元描述

5．3 ANSYS模型的建立

5．3．1 模型的基本参数

5．3．2 框-剪结构模型

5．4 静力分析

5．5 模态分析

5．6 地震反应谱分析

5．7 荷载工况组合

5．8 框-剪结构优化设计

5．8．1 设计变量

5．8．2 目标函数

5．8．3 约束条件

5．8．4 ANSYS的优化设计方法

5．8．5 ANSYS结构优化

5．8．6 优化设计结果

5．8．7 优化设计结果分析

5．9 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

作者简介