生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)破壞模式及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)體系是一種生態(tài)環(huán)保、節(jié)能保溫、耗能減震的建筑結(jié)構(gòu)新體系。通過(guò)十余年的不斷創(chuàng)新和發(fā)展,目前該結(jié)構(gòu)體系在多層以及中高層結(jié)構(gòu)中的理論研究與工程應(yīng)用均取得了較好的階段性成果。然而作為一種新型結(jié)構(gòu),還有很多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究探討,特別是生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的多道抗震防線形成機(jī)理及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面仍需要進(jìn)一步研究。本文在課題組前期研究成果的基礎(chǔ)上，圍繞生態(tài)復(fù)合墻體合理破壞模式及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法開(kāi)展研究工作,采取試驗(yàn)研究、理論分析及數(shù)值計(jì)算

2、相結(jié)合的方法,著重對(duì)不同類型的生態(tài)復(fù)合墻體抗震性能、生態(tài)復(fù)合墻體基于協(xié)同工作的內(nèi)力計(jì)算模型、生態(tài)復(fù)合墻體破壞模式及破壞路徑、多層及中高層生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等方面進(jìn)行研究,主要研究?jī)?nèi)容與成果如下:
　　(1)對(duì)8榀1/2比例模型不同類型生態(tài)復(fù)合墻體(不同內(nèi)填材料、不同框格劃分、不同高寬比)進(jìn)行偽靜力試驗(yàn),研究生態(tài)復(fù)合墻體受力特點(diǎn)和破壞機(jī)制,對(duì)比不同類型生態(tài)復(fù)合墻體的承載力、滯回特性、延性、強(qiáng)度退化、剛度退化和耗能等抗震性能。

3、試驗(yàn)結(jié)果表明:發(fā)生剪切型破壞的生態(tài)復(fù)合墻體,其砌塊、肋格與外框能夠相互作用,共同受力,在試驗(yàn)的彈性階段、彈塑性階段及破壞階段依次發(fā)揮作用,具有多道抗震防線;不同內(nèi)填材料、框格劃分及高寬比直接影響生態(tài)復(fù)合墻體的受力特性及破壞模式。
　　(2)根據(jù)生態(tài)復(fù)合墻體的受力特性,研究多層結(jié)構(gòu)及中高層結(jié)構(gòu)生態(tài)復(fù)合墻體在豎向及水平荷載作用下的協(xié)同工作性能?；趶椥缘鼗豪碚撎岢鐾瑫r(shí)適用于多層及中高層結(jié)構(gòu)生態(tài)復(fù)合墻體在豎向荷載作用下的力學(xué)模型;結(jié)合

4、多層及中高層結(jié)構(gòu)生態(tài)復(fù)合墻體構(gòu)造特點(diǎn),分別建立多層及中高層結(jié)構(gòu)生態(tài)復(fù)合墻體水平荷載作用下的墻體力學(xué)模型,求解結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,定量地給出邊框柱與復(fù)合墻板承擔(dān)豎向及水平荷載的比例關(guān)系,并就其影響因素進(jìn)行分析。
　　(3)在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出生態(tài)復(fù)合墻體破壞模式的主要分類;通過(guò)對(duì)墻體鋼筋應(yīng)變分析,揭示不同破壞模式墻體受力特征,并提出可應(yīng)用于試驗(yàn)及數(shù)值分析的墻體破壞模式的簡(jiǎn)化判定標(biāo)準(zhǔn);結(jié)合生態(tài)復(fù)合墻體內(nèi)力及極限承載力計(jì)算模型,提出墻體破壞

5、模式與破壞路徑的判定方法,推導(dǎo)出墻體構(gòu)件在破壞過(guò)程中各階段內(nèi)力、位移計(jì)算方法及計(jì)算公式,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:本文提出的計(jì)算方法,能準(zhǔn)確判定墻體最終的破壞模式,同時(shí)較好地描述生態(tài)復(fù)合墻體中復(fù)合墻板與邊框柱受力發(fā)展與演變過(guò)程,具有計(jì)算簡(jiǎn)單,概念明確的特點(diǎn)。
　　(4)基于優(yōu)化設(shè)計(jì)理論,提出基于分部?jī)?yōu)化思想的多層生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及思路;根據(jù)生態(tài)復(fù)合墻體構(gòu)造及受力特點(diǎn),建立滿足相關(guān)規(guī)程及墻體合理破壞模式要求的生態(tài)復(fù)合墻體單

6、元造價(jià)最小優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型;根據(jù)該數(shù)學(xué)模型特點(diǎn),將標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn),提出基于增廣拉格朗日函數(shù)適應(yīng)度及自適應(yīng)多位變異算子的改進(jìn)遺傳算法;并通過(guò)多層生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了討論。結(jié)果表明:本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法合理、可行,具有一定的工程實(shí)用意義。
　　(5)在分析中高層生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出中高層生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及思路,即將結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分為整體剛度優(yōu)化和單元優(yōu)化兩級(jí)。其中,整體

7、剛度優(yōu)化分兩步進(jìn)行,先進(jìn)行結(jié)構(gòu)側(cè)移約束條件下的生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)整體剛度優(yōu)化設(shè)計(jì),后基于分部?jī)?yōu)化思想進(jìn)行生態(tài)復(fù)合墻體剛度優(yōu)化設(shè)計(jì),分別采用復(fù)合形法及改進(jìn)遺傳算法完成優(yōu)化計(jì)算;以整體剛度優(yōu)化結(jié)果作為初始值,進(jìn)行局部強(qiáng)度及合理破壞模式約束下的生態(tài)復(fù)合墻體單元優(yōu)化設(shè)計(jì),采用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,重復(fù)上述兩級(jí)優(yōu)化到目標(biāo)函數(shù)收斂為止;通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例分析,介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。分析結(jié)果表明:本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能夠產(chǎn)生一個(gè)合理的、可靠的及可操作性的

8、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　本文的主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于:
　　(1)建立基于協(xié)同工作的多層及中高層結(jié)構(gòu)生態(tài)復(fù)合墻體內(nèi)力計(jì)算模型,分別推導(dǎo)出復(fù)合墻板和邊框柱在豎向及水平荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算表達(dá)式。
　　結(jié)合前期及本文試驗(yàn)研究結(jié)果,在總結(jié)生態(tài)復(fù)合墻體在豎向及水平荷載作用下的受力特性的基礎(chǔ)上，基于彈性地基梁理論,提出同時(shí)適用于多層及中高層結(jié)構(gòu)生態(tài)復(fù)合墻體豎向荷載作用下的力學(xué)模型;結(jié)合多層及中高層結(jié)構(gòu)生態(tài)復(fù)合墻體構(gòu)造特點(diǎn),分別建立多層及中高層

9、結(jié)構(gòu)生態(tài)復(fù)合墻體水平荷載作用下的墻體力學(xué)模型;根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理,建立結(jié)構(gòu)平衡微分方程,進(jìn)而求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力,定量給出復(fù)合墻板和邊框柱承擔(dān)豎向及水平荷載的比例關(guān)系。從理論上揭示了生態(tài)復(fù)合墻體中邊框柱與復(fù)合墻板協(xié)同工作關(guān)系,為墻體破壞模式的判定及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了必要的理論基礎(chǔ)。
　　(2)基于不同破壞模式生態(tài)復(fù)合墻體受力特征深入分析,提出墻體破壞模式及破壞路徑判定方法。
　　在對(duì)不同類型生態(tài)復(fù)合墻體(不同內(nèi)填材料、不同框格劃

10、分、不同高寬比)抗震性能試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出生態(tài)復(fù)合墻體破壞模式的主要分類,并通過(guò)對(duì)墻體鋼筋應(yīng)變分析,揭示不同破壞模式復(fù)合墻體受力特征,提出墻體破壞模式簡(jiǎn)化判別標(biāo)準(zhǔn);在此基礎(chǔ)上，提出墻體破壞路徑及破壞模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系,結(jié)合墻體內(nèi)力計(jì)算模型及極限承載力計(jì)算方法,提出生態(tài)復(fù)合墻體破壞模式及破壞路徑判別方法,并分別推導(dǎo)出復(fù)合墻體、復(fù)合墻板及邊框柱在破壞過(guò)程中各階段的位移及所承擔(dān)的水平荷載計(jì)算公式。該方法能較好地描述生態(tài)復(fù)合墻體中復(fù)合墻板與邊框

11、柱受力發(fā)展與演變過(guò)程,揭示了結(jié)構(gòu)多道抗震防線形成機(jī)理,為生態(tài)復(fù)合墻體優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供必要的基礎(chǔ)。
　　(3)基于優(yōu)化設(shè)計(jì)理論,并結(jié)合多層及中高層生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算特點(diǎn),提出基于合理破壞模式的多層及中高層生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
　　提出基于分部?jī)?yōu)化思想的多層生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及思路;建立滿足相關(guān)規(guī)程及墻體合理破壞模式要求的生態(tài)復(fù)合墻體單元造價(jià)最小優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。將標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn),提出基于增廣拉格