带深连梁的框架-抗震墙结构抗震优化设计

摘要

框架-抗震墙结构兼顾建筑使用空间大、结构整体性好和抗侧刚度大等优点，被广泛应用于高层建筑中。随着高层建筑优化理论的发展，结构工程师在实际工程中更加注重结构的抗震概念设计和整体优化。因此，如何有效优化框架-抗震墙结构，以达到在地震作用下，结构设有多道抗震防线来耗散地震能量及良好的延性，成为当前结构优化的发展方向。
　　本文针对框架-抗震墙结构这种在高层建筑中被广泛应用的结构形式进行了分析研究。在地震作用下，由于抗震墙是作为结构的第一道抗震防线，其合理设计（包括形式、布设位置和数量）都对框架-抗震墙结构的力学性能和抗震性能有重大的影响。为了提高抗震墙的延性，主要通过控制其中连梁部分和墙肢根部这两个薄弱部位，来实现结构中第一道抗震防线有两道子防线作用。理想的结构耗能破坏模式是使抗震墙中连梁先发生破坏，作为第一道抗震子防线。而结构中经常出现深连梁（跨高比小于2.5的连梁），以往的震害表明，在地震作用下常会发生“X形”剪切破坏，为了提高其延性，本论文框架-抗震墙结构中的深连梁采用新配箍方式。新配箍方式是在深连梁截面高度范围内配设分层封闭箍筋，并在采用无粘结技术对箍筋顶、底部的纵筋靠近墙肢1/4梁高的长度范围内套上PVC套管进行处理。为了进一步的优化框架-抗震墙结构，本论文在抗震墙和框架柱之间也加入了此种深连梁，来提高结构抗侧移能力。在水平荷载作用下，对本文提出的带深连梁的框架-抗震墙结构进行变形协调分析，并对一个8度抗震设防烈度的框架-抗震墙结构实例用加入深连梁和不加入深连梁两种结构形式进行对比分析，得到一些初步成果：
　　（1）地震作用下，带深连梁的联肢墙在框架-抗震墙结构中具有三道抗震子防线。通过分析框架-抗震墙结构协同微分方程的解y(x)，得到框架-抗震墙铰结体系存在最佳刚度特征值区间，约为λ=1～3。而对于框架-抗震墙刚接体系，由于连梁刚度贡献的介入，可以将其最佳刚度特征值区间适当的扩大。
　　（2）、通过分析框架-抗震墙结构位移曲线特性，指出结构反弯点高度处的层间侧移角为最大，并给出在倒三角形荷载作用下框架-抗震墙结构层间侧移角最大值公式。用MATLAB数学软件对算例进行计算，得出的结构最大层间位移角与采用PKPM软件的电算计算结果一致，验证了公式的正确性。利用地震作用与抗震墙抗侧刚度之间的关系，选取抗震墙抗侧刚度为优化设计变量，利用《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（简称《新规范》）规定的层间位移角限值为约束条件，同时以结构剪重比、刚重比、框架楼层剪力等结构要求为约束条件，建立起使框架-抗震墙结构水平地震作用（即目标函数）最小的抗震墙抗侧刚度优化数学模型。
　　（3）、把带深连梁的联肢墙看作是刚性伸臂结构，通过协调分析计算出刚性伸臂结构的顶点位移，将其折算成一个等效竖向悬臂杆，得出该抗震墙的抗侧刚度。并分析框架-抗震墙结构中深连梁的最优位置和数量，给出了简化公式，在深连梁的实际布置时还应参考结构的最大层间位移角楼层。
　　（4）、相同布置形式和相同截面的普通框架-抗震墙结构，在X、Y向地震作用下最大层间位移角皆不满足《新规范》规定的限值。而若在Y向布置一根深连梁，则在X、Y向水平地震作用下，框架-抗震墙结构的最大层间位移角均小于《新规范》限值且变形曲线更为合理。所以，深连梁的加入提高了框架-抗震墙结构的抗侧刚度和整体性。
　　本文在注重结构的抗震概念设计和整体优化的前提下，提出了一种带深连梁的框架-抗震墙结构优化方法和具体步骤。通过采用本文优化方法对具体实例进行两种方案的对比分析，验证了该优化思路和优化方法的正确性，这对钢筋混凝土框架-抗震墙结构设计有一定的实际指导作用。

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第1章 绪论

1.1 研究背景、意义及创新点

1.2 框架-抗震墙结构的分析方法介绍

1.3 框架-抗震墙结构优化的发展

1.4 本论文拟研究的主要内容

第2章 带深连梁的框架-抗震墙体系结构分析

2.1 引言

2.2 部分局部无粘结深连梁在框架-抗震墙结构中的应用

2.3 PLRU深连梁和PLRU独立墙的实验研究

2.4 框架-抗震墙结构协同工作的基本假定和计算简图

2.5水平荷载作用下框架-抗震墙结构协同工作微分方程及其解

2.6 框架-抗震墙结构最佳刚度特征值区间的探讨

2.7 本章小结

第3章 地震作用下框架-抗震墙结构抗侧刚度优化模型

3.1 引言

3.2 建立基于层间位移限值的抗震墙抗侧刚度优化数学模型

3.3 优化模型的具体计算步骤

3.4 框架-抗震墙结构中抗震墙抗弯刚度调整

3.5 框架-抗震墙结构中抗震墙的最优布置

3.6本章小结

第4章 框架-抗震墙结构中深连梁的最优位置和设置数量

4.1 引言

4.2 结构的基本假定和计算简图

4.3 带两个伸臂层的刚性伸臂结构分析

4.4带n个伸臂层的刚性伸臂结构等效刚度

4.5 深连梁的最优位置

4.6 刚性伸臂的设置数量

4.7 本章小结

第5章 框架-抗震墙结构抗震优化设计算例

5.1 工程概况及结构初始方案

5.2 框架-抗震墙结构计算

5.3 带深连梁的抗震墙结构等效抗侧刚度

5.4 用PKPM对刚度优化后的结构进行分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1主要结论

6.2 不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果