钢筋混凝土联肢剪力墙几何参数非线性优化分析

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钢筋混凝土剪力墙结构体系由于具备较高的承载力和抗侧刚度被广泛应用于高层建筑,其中联肢剪力墙结构为该体系的重要分支。联肢剪力墙结构不仅满足了建筑的使用功能,而且设计合理的结构能够形成双重抗震设防机制。然而对于钢筋混凝土联肢剪力墙几何尺寸的优化设计通常是在弹性阶段仅考察对单一响应量的影响规律,因此,深入研究钢筋混凝土联肢剪力墙的几何参数对结构在弹塑性阶段各响应量的影响规律并综合各响应量的变化趋向完成优化分析是不可或缺的。  本文以钢筋混凝土联肢剪力墙为研究对象,连梁跨高比和墙肢高宽比为关键参数,遵循中心复合设计的CCF方案准则并严格按照中国现行规范设计建立结构模型。以顶点位移角和有害层间位移角作为变形控制指标,采用静力推覆分析、动力时程分析和基于IDA的结构地震易损性分析对结构的承载能力、变形能力、刚度退化、损伤模式以及结构各级性能水平的失效概率和储备能力进行了全面研究。并且进一步基于非线性分析结果完成了双因子二阶响应面分析以研究两个几何参数对结构性能的影响规律,以F检验揭示了因子显著性,应用综合优化分析求得因子最优值,从而优化钢筋混凝土联肢剪力墙的设计方案。  通过本文的研究工作,得到的主要结论如下:  ①结构的极限承载力和初始刚度随着连梁跨高比的减小而提高,随着墙肢高宽比的增大而降低,弹性耦连比在0.348~0.584之间的结构延性较好。  ②无论是顶点位移角、名义层间位移角还是有害层间位移角都在墙肢高宽比较小的情况下,连梁跨高比较小时响应最小,而在墙肢高宽比中等或者较大的情况下,连梁跨高比处于中等水平时响应最小。  ③连梁跨高比降低至接近小跨高比范畴时,结构的层剪力增长显著,同时随着墙肢高宽比的增大而明显提高;各层连梁的端部弯矩随着连梁跨高比的减小或者墙肢高宽比的增大而明显增长,同时连梁最大弯矩所在楼层高度比率降低;随着墙肢高宽比的增大,各层墙肢底部弯矩显著增长;结构的损伤程度在弹性耦连比处于0.487~0.642之间时相对较低。  ④随着结构变形的增加,结构所承受的地震动强度近似线性提高,地震动强度提高的梯度随着连梁跨高比的减小或者墙肢高宽比的减小而加大;结构的Sa(T1,5%)条件下θtop的对数标准差在结构的基本自振周期大于1s后均较小并且趋于稳定。  ⑤无论在使用良好、功能中断还是防止倒塌的性能水平下,结构的墙肢高宽比越小或者连梁跨高比越小,结构地震易损性的中位值越大,同等谱加速度下结构的失效概率越低;根据中国现行规范设计的混凝土联肢剪力墙结构满足了三水准的设计要求而且弹性耦连比在0.487~0.642之间的结构抗倒塌的能力较好。  ⑥以结构各性能水平的储备系数来看,结构的墙肢高宽比越小或者连梁跨高比越小时结构的EMR越大;结构的连梁跨高比处于中等水平时,结构的PMR最高,并且墙肢高宽比越小,结构的PMR越高;结构的墙肢高宽比在较小或中等水平时,连梁跨高比越小,结构的CMR越高,但墙肢高宽比较大时,连梁跨高比处于中等水平时,结构的CMR最高;另外,随着性能水平等级的提高,结构的墙肢高宽比和连梁跨高比对储备系数的影响逐渐降低。  ⑦基于因子的显著性分析表明,连梁跨高比对极限承载力、最大有害层间位移角、基底剪力、连梁最大弯矩和CMR的影响最大;墙肢高宽比对初始刚度、顶点位移角、最大层间位移角和地震易损性中位值的影响最大;连梁跨高比和墙肢高宽比对极限位移角、墙肢最大弯矩、EMR和PMR的影响相当。  ⑧几何参数综合优化的研究表明,结构的各响应量均在墙肢高宽比达到最小时取得最优值,连梁跨高比最优值随着墙肢高宽比的增大而指数型提高;墙肢高宽比处于3~6.6之间时,连梁跨高比的最优值在3.49~4.10之间,这意味着钢筋混凝土联肢剪力墙以弯曲变形为主的状态下,连梁跨高比的取值宜处于中等偏小的水平。
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