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基于地震反应谱对钢筋混凝土剪力墙结构刚度优化的研究

作　者: 赵瑞宝
导　师: 张永胜
学　校: 太原理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 剪力墙结构 地震反应谱 刚度 优化设计 ANSYS分析
分类号: TU375
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 119次
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内容摘要


钢筋混凝土剪力墙结构具有空间整体性好、抗震性好等优点,广泛应用于住宅、旅馆、公寓等住宅性高层建筑,可使房间无梁柱棱角、整齐美观、室内空间得到充分利用。优化设计是结构设计理论的重大发展,针对同一个设计任务,可从多种设计方案中择优而用。优化设计不是以牺牲结构可靠度来换取经济效益,而是以可靠度作为第一考虑,经优化后,不仅使结构受力更加合理,而且结构更加经济。因此,对结构设计方案进行优化设计是必要的。本文依据现行混凝土结构设计规范(GB50010-2002)、建筑抗震设计规范(GB50011-2001)、高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002),以某剪力墙结构(16层)实际工程为算例。应用有限元软件ANSYS建立结构三维空间有限元模型(考虑楼、电梯间楼板开洞对结构的影响),以控制结构变形为约束条件,以剪力墙的厚度为设计变量,结构重量最轻为目标函数,通过对钢筋混凝土剪力墙结构进行了基于地震反应谱的结构优化设计和研究,得出以下结论:1.对结构进行模态分析,确定结构的动力特性,通过各阶模态振型参与系数的大小,确定结构的主振型;2.经谱分析可知,结构顶层产生最大的侧向变形,在顶层的角部、结构的凹凸部位产生比其他部位更大的变形,结构底部、内部应力较大,顶层屋面的边角、中部及剪力墙洞口处产生应力集中现象,各楼层处分担的水平地震作用随楼层数的增加呈“S”型曲线,产生最大地震作用及最大层间位移角的楼层位于结构的中部附近,结构顶层产生鞭梢效应;3.经优化分析,得出剪力墙的最优厚度,实现了结构重量最轻的目标;4.通过对结构优化前、后的抗震性能进行对比分析,可以发现,在结构体系不变的情况下,优化后的结构,其整体变形及等效应力分布情况与优化前基本相同,只是变化值不同,增加了结构的延性,减小了结构各楼层分担的水平地震作用,但结构变柔增大了结构的鞭梢效应;5.对于钢筋混凝土剪力墙结构,在不改变结构布置的前提下,仅优化剪力墙的厚度,对增大整体结构变形的效果不显著。本文为水平地震作用下钢筋混凝土剪力墙结构的优化设计提供了一种方法,对工程技术人员亦有一定的参考价值。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章 绪论  11-22
  1.1 概述  11-13
    1.1.1 剪力墙结构  11-12
    1.1.2 结构优化  12-13
  1.2 研究背景  13-19
    1.2.1 剪力墙结构的发展  13-14
    1.2.2 结构抗震分析的发展  14-17
    1.2.3 结构优化设计的发展  17-19
  1.3 研究目的和主要内容  19-22
    1.3.1 研究目的  19-20
    1.3.2 研究的主要内容  20-22
第二章 剪力墙结构的地震反应谱分析  22-40
  2.1 剪力墙结构相关概念  22-26
    2.1.1 剪力墙的形式  22-23
    2.1.2 剪力墙结构布置  23-26
  2.2 剪力墙结构计算  26-29
    2.2.1 基本假定  26
    2.2.2 分析方法  26-27
    2.2.3 剪力墙的抗弯刚度  27-28
    2.2.4 侧向荷载在剪力墙上的分配  28
    2.2.5 水平位移的限值  28-29
  2.3 结构的地震反应谱分析  29-37
    2.3.1 地震作用的特点  29-31
    2.3.2 结构抗震设计基本原则  31-32
    2.3.3 地震加速度反应谱  32-37
  2.4 剪力墙结构延性设计  37-38
  2.5 本章小结  38-40
第三章 基于 ANSYS 的剪力墙结构优化  40-53
  3.1 结构优化的基本理论  40-44
    3.1.1 基本概念  40
    3.1.2 优化设计的数学模型  40-42
    3.1.3 优化设计的分类  42-43
    3.1.4 优化设计求解  43-44
  3.2 基于ANSYS 的优化设计理论  44-50
    3.2.1 ANSYS 求解的基本过程  44-45
    3.2.2 ANSYS 中的优化变量  45-46
    3.2.3 ANSYS 的优化方法－零阶优化法  46-50
  3.3 ANSYS 优化设计的过程  50-52
  3.4 本章小结  52-53
第四章 剪力墙结构有限元模型的建立  53-61
  4.1 有限元分析方法  53-54
  4.2 有限元的分析过程  54-56
  4.3 结构有限元模型的建立  56-60
    4.3.1 工程概况  56-57
    4.3.2 建立结构模型  57-60
  4.4 本章小结  60-61
第五章 结构的模态、谱分析及刚度优化  61-94
  5.1 模态分析  61-73
    5.1.1 基本理论  61-65
    5.1.2 求解方法  65-66
    5.1.3 模态分析  66-73
  5.2 地震加速度反应谱分析  73-86
    5.2.1 基本理论  73-76
    5.2.2 结构的地震反应谱分析  76-86
  5.3 结构刚度优化  86-92
    5.3.1 刚度优化  86-87
    5.3.2 结构优化前、后抗震性能对比  87-92
  5.4 本章小结  92-94
第六章 结论与展望  94-96
  6.1 本文结论  94-95
  6.2 不足与展望  95-96
参考文献  96-100
附录  100-103
致谢  103-104
攻读学位期间发表的学术论文  104

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑结构 > 混凝土结构、钢筋混凝土结构 > 钢筋混凝土结构
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