自定心混凝土框架基于性能和可靠度的优化设计研究

摘要

装配式钢筋混凝土框架结构因其生产速度快，现场施工简便，构件加工精度高，节约模板等优点，已得到广泛的重视和一定的应用。然而，传统装配式结构的节点连接可靠性较差，且会在震后出现较大的残余变形，给震后修复带来困难，因而在抗震区的使用受到限制。鉴于此，课题组提出了一种“腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架”，以实现结构在震后的自动复位以及明确、可控的耗能。针对该新型抗震结构体系，本文围绕框架的低周反复加载试验、抗震可靠度计算以及优化设计方法等方面，进行了较为系统的研究，主要研究工作及成果如下:
　　(1)介绍了自定心混凝土框架节点的构造形式和主要力学性能特点。通过11个梁柱均施加预应力的自定心框架的低周反复加载试验，对其力学性能进行了检验。分析了框架梁钢绞线预应力、框架柱钢绞线预应力、摩擦力对于自定心框架力学性能的影响。在此基础上，进行了柱底固结的自定心框架和混凝土现浇框架的低周反复加载对比试验，进一步验证了自定心结构的震后自复位能力。基于有限元分析软件OpenSees，对自定心框架的数值模拟方法进行了研究，其数值模拟结果与试验数据吻合较好，为后续自定心框架的抗震可靠度计算提供了可靠的数值模型。
　　(2)从结构可靠度基本理论入手，对增量动力分析(IDA)可靠度计算方法进行了介绍。鉴于显式可靠度方法难以用于复杂的自定心结构，而IDA方法的计算效率偏低，本文提出了一种随机有限元的增量静力法(ISA)。该方法采用能力谱法预测结构位移，同时可以考虑结构的随机性和地震动的随机性。对ISA的基本原理和计算流程进行了阐述，以MATLAB为基本平台，通过调用OpenSees程序，实现了基于性能的自定心框架的可靠度计算，并通过算例分析评估了该新型结构体系的地震易损性。此后，采用基于IDA的可靠度计算方法，与ISA方法的分析结果进行了比较和验证。
　　(3)根据“安全-经济”的双重标准，建立起自定心框架基于可靠度和性能的优化设计方法，涉及性能水准的定义、优化数学模型的构建等。介绍了遗传算法和模拟退火算法的基本概念和计算流程。以一榀自定心框架为例，以各性能状态下的结构可靠度指标为约束条件，以所需综合造价最低为优化目标，分别编制了基于遗传算法和模拟退火算法的MATLAB优化程序，并在计算次数相同的条件下，得出自定心框架的最优解。针对两种算法的特点，进行了对比研究。
　　上述研究为自定心混凝土框架的地震易损性评估及优化设计提供了参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 国内外相关领域的研究现状

1．2．1 预制装配式混凝土框架

1．2．2 结构可靠度理论与方法

1．2．3 结构优化设计

1．3 存在的主要问题

1．4 本文的主要研究目标和内容

第二章 自定心预应力混凝土框架梁柱节点的力学行为的理论分析与数值模拟

2．1 自定心框架梁柱节点的基本构造及工作机理

2．2 循环荷载下的弯矩-转角关系

2．3 节点弯矩M的表达式

2．4 相对能量耗散系数

2．5 自定心节点的数值分析

2．6 本章小结

第三章 自定心预应力混凝土框架的低周反复加载试验研究

3．1 试验概况

3．1．1 试件设计

3．1．2 材料参数

3．1．3 加载制度与测点布置

3．1．4 试验参数

3．2 试验结果与分析

3．2．1 破坏模式

3．2．2 滞回曲线

3．2．3 梁钢绞线预应力对框架性能的影响

3．2．4 柱钢绞线预应力对框架性能的影响

3．2．5 摩擦力对框架性能的影响

3．2．6 钢绞线预应力与顶层侧移的关系

3．2．7 钢套的应力分布

3．2．8 柱底固结自定心框架的滞回特性和受力特点

3．2．9 传统整体浇筑式框架的滞回特性和受力特点

3．3 数值模拟和试验结果的对比

3．3．1 SCPC1的数值模型

3．3．2 SCPC1的试验结果与数值模拟的比较

3．4 本章小结

第四章 自定心预应力混凝土框架的抗震可靠度计算

4．1 基于增量动力分析(IDA)的可靠度计算方法

4．1．1 增量动力法

4．1．2 基于IDA方法的可靠度分析基本步骤

4．1．3 IDA方法小结

4．2 基于增量静力分析(ISA)的可靠度计算方法

4．2．1 能力谱法

4．2．2 能力谱曲线

4．2．3 需求谱曲线

4．2．4 随机能力谱法

4．3 算例分析

4．3．1 自定心框架设计

4．3．2 基于ISA的可靠度计算

4．3．3 基于IDA的可靠度计算验证

4．3．4 小结

4．4 本章小结

第五章 自定心预应力混凝土框架基于可靠度的结构优化设计

5．1 基于可靠度的结构优化概述

5．2 基于可靠度的优化算法计算原理

5．2．1 优化模型

5．2．2 目标函数设定

5．3 遗传算法

5．3．1 遗传算法的基本原理

5．3．2 遗传算法的特点

5．4 模拟退火算法

5．4．1 模拟退火算法的基本原理

5．4．2 模拟退火算法的特点

5．5 算例分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究总结

6．1．1 自定心预应力混凝土框架的低周反复加载试验研究

6．1．2 自定心预应力混凝土框架的抗震可靠度计算

6．1．3 自定心预应力混凝土框架基于可靠度的结构优化设计

6．2 研究展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间所取得的研究成果

致谢