SRC高位轉(zhuǎn)換超高層結(jié)構(gòu)抗震性能研究及基于成本—效益準(zhǔn)則的優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、在地震災(zāi)害尚不可避免、結(jié)構(gòu)型式又趨于多樣化的背景下，對結(jié)構(gòu)尤其是復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體抗震性能研究，在改進(jìn)抗震性能評估方法、促進(jìn)工程設(shè)計(jì)合理化方面具有極其重要的意義。另外，在近年美國(1994年，北嶺)、日本(1995年，阪神)與中國(2008年，汶川)等國家發(fā)生的地震災(zāi)害表明，按照現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的建筑物具有良好的抗倒塌性，有效地降低了因結(jié)構(gòu)倒塌而造成的人員傷亡。然而，震害調(diào)查也發(fā)現(xiàn)由結(jié)構(gòu)破壞而帶來的經(jīng)濟(jì)損失是驚人的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期

2、的估計(jì)。這就足以充分說明抗震設(shè)計(jì)，在強(qiáng)調(diào)生命安全同時(shí)，必須考慮經(jīng)濟(jì)損失。也即是說，不僅要防止建筑物發(fā)生倒塌破壞，同時(shí)也要有效地控制建筑物的其他破壞水平。因此，必須采用更加合理的設(shè)計(jì)原則，來處理初始投資和風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，這就是成本-效益準(zhǔn)則。成本-效益準(zhǔn)則作為基于性能抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)基本原則，反映了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的一個(gè)重要轉(zhuǎn)變，即從以往只注重結(jié)構(gòu)安全，向全面注重結(jié)構(gòu)性能、安全及經(jīng)濟(jì)等諸多方面發(fā)展。根據(jù)成本-效益準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)按照結(jié)構(gòu)

3、性能的要求，利用所擁有的資源，尋求合理的、滿意的、足夠安全經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案，即在結(jié)構(gòu)的可靠與經(jīng)濟(jì)之間選擇一種合理的平衡。
　　 在此背景下，本文以一個(gè)工程實(shí)例一某型鋼混凝土(SRC)高位轉(zhuǎn)換超高層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，主要進(jìn)行了以下四個(gè)方面的研究：(1)SRC高位轉(zhuǎn)換超高層結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺試驗(yàn)研究；(2)SRC高位轉(zhuǎn)換超高層結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺模型彈性及原型結(jié)構(gòu)彈性及靜力彈塑性有限元數(shù)值分析；(3)高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)基于成本-效益準(zhǔn)則的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究；(

4、4)SRC高位轉(zhuǎn)換超高層結(jié)構(gòu)基于成本-效益準(zhǔn)則的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。具體內(nèi)容如下：
　　 1、針對本文的研究對象SRC高位轉(zhuǎn)換超高層結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn)，介紹了縮尺(1/30)模型振動(dòng)臺試驗(yàn)的全過程，詳細(xì)分析了整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧线x取、動(dòng)力相似關(guān)系確定、模型簡化、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，以及到最后實(shí)施試驗(yàn)和對試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。模型振動(dòng)臺試驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)合理，具有較大的水平剛度，在地震作用下位移反應(yīng)和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)比較小，滿足規(guī)范

5、抗震設(shè)防要求。另外，試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果也表明，本文對SRC高位轉(zhuǎn)換超高層結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺設(shè)計(jì)方法是可行的，具有足夠的準(zhǔn)確度；
　　 2、運(yùn)用有限元軟件MIDAS GEN對該SRC高位轉(zhuǎn)換超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的彈性計(jì)算分析。分析的內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：振動(dòng)臺模型結(jié)構(gòu)的模態(tài)、彈性時(shí)程分析；原型結(jié)構(gòu)的模態(tài)、反應(yīng)譜及彈性時(shí)程分析，并將計(jì)算分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，振動(dòng)臺試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元數(shù)值分析的合理性與準(zhǔn)確性；
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6、、在結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算的基礎(chǔ)上運(yùn)用MIDAS GEN對該SRC高位轉(zhuǎn)換超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力彈塑性分析。結(jié)果表明。設(shè)計(jì)合理的SRC高位轉(zhuǎn)換超高層結(jié)構(gòu).在大震作用下具有良好的耗能能力、延性及理想的屈服破壞機(jī)制。運(yùn)用能力譜法對結(jié)構(gòu)的整體抗震性能進(jìn)行評估，獲得了較好的效果；
　　 4、在已有全壽命造價(jià)模型的基礎(chǔ)上，提出了三目標(biāo)函數(shù)全壽命造價(jià)優(yōu)化模型。與已有全壽命造價(jià)模型相比，該模型除考慮結(jié)構(gòu)初始造價(jià)、損失期望外，還考慮了反映結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工復(fù)雜

7、性的構(gòu)件截面類型數(shù)量；另外，還將結(jié)構(gòu)在其運(yùn)行期間的檢查、維護(hù)費(fèi)用及由于優(yōu)化導(dǎo)致建筑使用面積變化所引起的租金收益影響也列入到結(jié)構(gòu)全壽命造價(jià)中。最后，基于所提出的優(yōu)化模型，采用多目標(biāo)遺傳算法搜索引擎，運(yùn)用MATLAB語言開發(fā)了高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)基于成本一效益準(zhǔn)則的自動(dòng)優(yōu)化程序，優(yōu)化結(jié)果給出多種可供業(yè)主選用的設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明，在滿足規(guī)范的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案解集中，業(yè)主可依據(jù)三個(gè)目標(biāo)函數(shù)的量值、個(gè)人的工程經(jīng)驗(yàn)以及經(jīng)濟(jì)能力來選擇所想要的設(shè)計(jì)方案。

8、優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果體現(xiàn)出多樣性、可選擇性、業(yè)主主動(dòng)參與性及可依靠經(jīng)驗(yàn)等特點(diǎn)；
　　 5、給出高層建筑結(jié)構(gòu)基于成本-效益準(zhǔn)則的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，并針對本文的研究對象SRC高位轉(zhuǎn)換超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于成本-效益準(zhǔn)則的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。鑒于SRC高位轉(zhuǎn)換超高層結(jié)構(gòu)的特殊性及復(fù)雜性，本文研究中對前述提出的三目標(biāo)函數(shù)全壽命造價(jià)優(yōu)化模型進(jìn)行簡化，并將簡化后的模型應(yīng)用于該超高層基于成本-效益準(zhǔn)則的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。運(yùn)用單目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法確定了該超高層結(jié)構(gòu)考慮初始造