框-剪结构中剪力墙的刚度优化和合理布置

摘要

框架—剪力墙结构结合框架和剪力墙的优点，剪力墙主要承担水平荷载，框架承担竖向荷载，两者受力明确、合理，扬长避短，故广泛应用于高层建筑结构中。高层建筑建设周期长，投资大，在进行设计时如何获得结构最优方案并能降低成本，一直是设计人员所努力的。国内以往通常的做法是设计人员依据以往的工程经验初步设计然后再进行复查的形式，通过不断计算改正，使其符合规范要求。但是方案的可行性在于设计人员对于结构的掌握。目前有研究人员提出明确剪力墙合理数量的思路。如对地震设防烈度进行优化，还有最小地震作用的优化，所得到的剪力墙数量并不是最合理的。故本文以设计分析软件MIDAS/GEN为工具，通过建立位于8度(0.2g)区的12层框剪结构，在基于剪力墙合理刚度区间范围内，对三种不同位置剪力墙的结构模型进行分析。本文研究的主要内容有:
　　1、通过反复荷载实验，对带边框柱及剪跨比较大的框—剪结构进行受力分析，实验表明带边框柱能延缓刚度退化，且框架与剪力墙在弹性变形阶段内力分布变化不大，非弹性阶段两者变化大，剪力墙刚度退化明显。
　　2、通过对框—剪结构协同工作原理进行理论分析，建立协同微分方程，设定刚度特征值λ，推导出结构在倒三角荷载作用下的位移、内力及分布曲线。得出剪力墙最优刚度区间。
　　3、最后，基于结构顶点位移限值，建立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，选取3种剪力墙模型，利用 MIDAS软件对模型周期、层位移、柱和剪力墙的剪力分配等数据进行对比，选择最佳的设计方案。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。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 选题的背景及意义

1．1．1 高层建筑的发展历程

1．1．2 高层建筑结构主要考虑因素

1．1．3 研究的意义

1．2 框—剪结构体系受力特点

1．2．1 高层建筑结构体系

1．2．2 框—剪结构体系受力特点

1．3 框架—剪力墙结构优化分析方法

1．4 结构优化发展

1．4．1 结构优化发展历程

1．4．2 框剪结构优化发展

第二章 基于位移的框剪结构优化设计的理论基础

2．1 刚度的退化和层间侧移角的量化关系

2．2 剪力墙模型试验数据及分析

2．3 刚度退化对框架-剪力墙结构内力的影响分析

第三章 框架-剪力墙结构的分析计算及设计要点

3．1 框架-剪力墙结构的受力特点

3．1．1 框架-剪力墙结构的协同工作

3．1．2 框架-剪力墙结构优缺点

3．2 框架—剪力墙的内力与位移

3．2．1 基本假定与运算简图

3．2．2 铰接于水平力下的协同计算

3．2．3 框架-剪力墙结构协同工作的微分方程

3．3 对刚度的最优特征值的研究

3．3．1 框架-剪力墙结构的侧移变形

3．3．2 框-剪结构的剪力墙弯矩竖向分布

3．3．3 剪力墙和框架在水平方向剪力对应的竖向分布分析

3．3．4 框剪结构体系对应的最佳刚度特征值

3．4 楼层的最大层问侧移角和顶点位移

3．5 位移限值确定结构最佳刚度特征值

第四章 地震作用下剪力墙抗侧刚度和数量的优化

4．1 引言

4．2 剪力墙位置的选择

4．2．1 基本原则

4．2．2 剪力墙位置的选择

4．2．3 影响抗震墙数量的因素

4．2．4 剪力墙布置的具体要求

4．3 在顶点位移限值的基础上推算剪力墙抗侧刚度优化的数学模型

4．3．1 结构振动周期同框剪结构抗侧刚度之间关系

4．3．2 约束条件

4．3．3 框架梁柱节点受剪承载力要求

4．3．4 建立剪力墙抗侧刚度优化的数学模型

4．4 优化模型的解

4．4．1 由协同工作的微分方程求结构顶点位移

4．4．2 由高层规程中的位移限值求剪力墙的抗侧刚度

4．4．3 结构基本自振周期的计算

第五章 工程实例

5．1 MIDAS软件介绍

5．2 工程实例

5．2．1 工程概况

5．2．2 结构初选方案

5．2．3 参数设置

5．3 剪力墙的优化

5．3．1 计算框架的横向剪切刚度

5．3．2 结构最佳刚度特征值

5．4 对框—剪结构进行优化分析

5．4．1 三种框剪结构所对应的振动周期

5．4．2 位移对比

5．4．3 内力对比

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 不足与期望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文