生態(tài)復合墻結構破壞模式及優(yōu)化設計方法研究.pdf

1、生態(tài)復合墻結構體系是一種生態(tài)環(huán)保、節(jié)能保溫、耗能減震的建筑結構新體系。通過十余年的不斷創(chuàng)新和發(fā)展,目前該結構體系在多層以及中高層結構中的理論研究與工程應用均取得了較好的階段性成果。然而作為一種新型結構,還有很多問題有待進一步研究探討,特別是生態(tài)復合墻結構的多道抗震防線形成機理及結構優(yōu)化設計等方面仍需要進一步研究。本文在課題組前期研究成果的基礎上，圍繞生態(tài)復合墻體合理破壞模式及結構優(yōu)化設計方法開展研究工作,采取試驗研究、理論分析及數值計算

2、相結合的方法,著重對不同類型的生態(tài)復合墻體抗震性能、生態(tài)復合墻體基于協(xié)同工作的內力計算模型、生態(tài)復合墻體破壞模式及破壞路徑、多層及中高層生態(tài)復合墻結構優(yōu)化設計方法等方面進行研究,主要研究內容與成果如下:
　　(1)對8榀1/2比例模型不同類型生態(tài)復合墻體(不同內填材料、不同框格劃分、不同高寬比)進行偽靜力試驗,研究生態(tài)復合墻體受力特點和破壞機制,對比不同類型生態(tài)復合墻體的承載力、滯回特性、延性、強度退化、剛度退化和耗能等抗震性能。

3、試驗結果表明:發(fā)生剪切型破壞的生態(tài)復合墻體,其砌塊、肋格與外框能夠相互作用,共同受力,在試驗的彈性階段、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;不同內填材料、框格劃分及高寬比直接影響生態(tài)復合墻體的受力特性及破壞模式。
　　(2)根據生態(tài)復合墻體的受力特性,研究多層結構及中高層結構生態(tài)復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適用于多層及中高層結構生態(tài)復合墻體在豎向荷載作用下的力學模型;結合

4、多層及中高層結構生態(tài)復合墻體構造特點,分別建立多層及中高層結構生態(tài)復合墻體水平荷載作用下的墻體力學模型,求解結構的內力,定量地給出邊框柱與復合墻板承擔豎向及水平荷載的比例關系,并就其影響因素進行分析。
　　(3)在試驗研究的基礎上，提出生態(tài)復合墻體破壞模式的主要分類;通過對墻體鋼筋應變分析,揭示不同破壞模式墻體受力特征,并提出可應用于試驗及數值分析的墻體破壞模式的簡化判定標準;結合生態(tài)復合墻體內力及極限承載力計算模型,提出墻體破壞

5、模式與破壞路徑的判定方法,推導出墻體構件在破壞過程中各階段內力、位移計算方法及計算公式,并進行試驗驗證。結果表明:本文提出的計算方法,能準確判定墻體最終的破壞模式,同時較好地描述生態(tài)復合墻體中復合墻板與邊框柱受力發(fā)展與演變過程,具有計算簡單,概念明確的特點。
　　(4)基于優(yōu)化設計理論,提出基于分部優(yōu)化思想的多層生態(tài)復合墻結構優(yōu)化設計方法及思路;根據生態(tài)復合墻體構造及受力特點,建立滿足相關規(guī)程及墻體合理破壞模式要求的生態(tài)復合墻體單

6、元造價最小優(yōu)化設計數學模型;根據該數學模型特點,將標準遺傳算法進行改進,提出基于增廣拉格朗日函數適應度及自適應多位變異算子的改進遺傳算法;并通過多層生態(tài)復合墻結構優(yōu)化設計實例對優(yōu)化結果進行了討論。結果表明:本文提出的優(yōu)化設計方法合理、可行,具有一定的工程實用意義。
　　(5)在分析中高層生態(tài)復合墻結構優(yōu)化設計特點的基礎上，提出中高層生態(tài)復合墻結構的多級優(yōu)化設計方法及思路,即將結構的優(yōu)化設計分為整體剛度優(yōu)化和單元優(yōu)化兩級。其中,整體

7、剛度優(yōu)化分兩步進行,先進行結構側移約束條件下的生態(tài)復合墻結構整體剛度優(yōu)化設計,后基于分部優(yōu)化思想進行生態(tài)復合墻體剛度優(yōu)化設計,分別采用復合形法及改進遺傳算法完成優(yōu)化計算;以整體剛度優(yōu)化結果作為初始值,進行局部強度及合理破壞模式約束下的生態(tài)復合墻體單元優(yōu)化設計,采用改進遺傳算法進行優(yōu)化計算,重復上述兩級優(yōu)化到目標函數收斂為止;通過優(yōu)化設計實例分析,介紹優(yōu)化設計過程。分析結果表明:本文提出的優(yōu)化設計方法能夠產生一個合理的、可靠的及可操作性的

8、結構設計。
　　本文的主要創(chuàng)新之處在于:
　　(1)建立基于協(xié)同工作的多層及中高層結構生態(tài)復合墻體內力計算模型,分別推導出復合墻板和邊框柱在豎向及水平荷載作用下的內力計算表達式。
　　結合前期及本文試驗研究結果,在總結生態(tài)復合墻體在豎向及水平荷載作用下的受力特性的基礎上，基于彈性地基梁理論,提出同時適用于多層及中高層結構生態(tài)復合墻體豎向荷載作用下的力學模型;結合多層及中高層結構生態(tài)復合墻體構造特點,分別建立多層及中高層

9、結構生態(tài)復合墻體水平荷載作用下的墻體力學模型;根據變形協(xié)調原理,建立結構平衡微分方程,進而求解結構內力,定量給出復合墻板和邊框柱承擔豎向及水平荷載的比例關系。從理論上揭示了生態(tài)復合墻體中邊框柱與復合墻板協(xié)同工作關系,為墻體破壞模式的判定及結構優(yōu)化設計的實現(xiàn)提供了必要的理論基礎。
　　(2)基于不同破壞模式生態(tài)復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。
　　在對不同類型生態(tài)復合墻體(不同內填材料、不同框格劃

10、分、不同高寬比)抗震性能試驗研究的基礎上，提出生態(tài)復合墻體破壞模式的主要分類,并通過對墻體鋼筋應變分析,揭示不同破壞模式復合墻體受力特征,提出墻體破壞模式簡化判別標準;在此基礎上，提出墻體破壞路徑及破壞模式的對應關系,結合墻體內力計算模型及極限承載力計算方法,提出生態(tài)復合墻體破壞模式及破壞路徑判別方法,并分別推導出復合墻體、復合墻板及邊框柱在破壞過程中各階段的位移及所承擔的水平荷載計算公式。該方法能較好地描述生態(tài)復合墻體中復合墻板與邊框

11、柱受力發(fā)展與演變過程,揭示了結構多道抗震防線形成機理,為生態(tài)復合墻體優(yōu)化設計的實現(xiàn)提供必要的基礎。
　　(3)基于優(yōu)化設計理論,并結合多層及中高層生態(tài)復合墻結構抗震設計計算特點,提出基于合理破壞模式的多層及中高層生態(tài)復合墻結構優(yōu)化設計方法。
　　提出基于分部優(yōu)化思想的多層生態(tài)復合墻結構優(yōu)化設計方法及思路;建立滿足相關規(guī)程及墻體合理破壞模式要求的生態(tài)復合墻體單元造價最小優(yōu)化設計數學模型。將標準遺傳算法進行改進,提出基于增廣拉格