开洞钢板剪力墙加劲肋的拓扑优化设计研究

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1、广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）开洞钢板剪力墙加劲肋的拓扑优化设计研究关素丹二○一八年五月分类号：学校代号：11845UDC：密级:学号：2111509026广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）开洞钢板剪力墙加劲肋的拓扑优化设计研究关素丹指导教师姓名、职称：何嘉年（副教授）学科(专业)或领域名称：土木工程学生所属学院：土木与交通工程学院论文答辩日期：2018年5月ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheDegreeofMaster（MasterofEngineeringScie

2、nce）StudyonTopologicalOptimizationDesignofStiffenersforSteelPlateShearWallswithOpeningsCandidate:SudanGuanSupervisor:AssociateProf.JianianHeMay2018SchoolofCivilandTransportationEngineeringGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou,Guangdong,P.R.China,510006摘要摘要钢框架—钢板剪力墙是高层、超高层建筑中广泛应用的结

3、构体系型式之一，该结构体系的刚度、承载力、延性和耗能性能优良。其中开洞钢板剪力墙不仅能够满足建筑安装门窗或布置线路管道的需求，还能调整钢板与框架之间的刚度比值，改善非加劲薄钢板剪力墙的捏缩现象。为保证开洞钢板在削弱刚度的同时仍具有足够的抗侧能力，要求开洞钢板剪力墙加劲肋的布局和刚度是合理的。鉴于此，本文运用已有的拓扑优化程序与有限元模拟的方法，对不同开洞类型钢板剪力墙加劲肋的拓扑优化设计展开了系统的研究。主要完成的工作如下：（1）概述了目前针对开洞钢板剪力墙的研究，包括洞口参数和加劲肋参数对开洞钢板剪力墙力学性能的影响，以及开洞钢板剪力墙的刚度、承载力公式的推导

4、，讨论现行规范与研究方法存在的问题和局限性。对目前板壳结构加劲肋的优化设计方法与优化策略进行总结，对比不同优化方法的优缺点，选择适合本文研究使用的拓扑优化方法。（2）运用ABAQUS软件，建立开洞钢板剪力墙的三维实体模型，并对建模方法进行验证。为保证钢板剪力墙的抗侧性能和经济性，对材料体积保留比例的取值范围进行讨论。运用拓扑优化程序对不同洞口尺寸、洞口形状、洞口位置、钢板高宽比和钢板高厚比的钢板剪力墙进行加劲肋的优化设计。研究结果表明，不同开洞类型的钢板剪力墙的加劲肋优化布置形式不同，其中改变洞口的尺寸、洞口的位置以及钢板高宽比时，加劲肋优化布置形式也随之变化；

5、洞口形状的改变对加劲肋优化布置形式影响不大；钢板高厚比的改变对加劲肋的刚度影响较大，对加劲肋优化布置形式影响不大。同时各类开洞钢板剪力墙的加劲肋拓扑形状在洞口边缘处较厚，证明洞口边缘需要设置加劲肋。（3）根据优化的结果，运用等效刚度原则设计不同洞口尺寸与洞口位置开洞钢板剪力墙的加劲肋布置方案，并对设置优化加劲肋方案的开洞钢板剪力墙进行单调加载和循环加载的有限元模拟试验。研究结果表明，优化的加劲肋方案能改变开洞钢板剪力墙的屈曲模态，有效改善其屈曲荷载、刚度、极限承载力以及捏缩现象，并且使其具有较好的滞回性能和耗能性能。关键词：开洞钢板剪力墙；加劲肋布置；拓扑优化；

6、优化设计I广东工业大学硕士学位论文ABSTRACTSteelframe-steelplateshearwallstructuresystem,whichiswidelyusedinhigh-riseandsuperhigh-risebuildings,isexcellentinstiffness,bearingcapacity,ductility,andenergydissipation.Steelplateshearwallswithopeningsnotonlysatisfiestherequirementsfortheinstallationofdoors

7、andwindowsorthelayoutofpipelines,butalsoadjuststhestiffnessratiobetweenthesteelplateandtheframe,whicheffectivelyimprovingthepinchingphenomenonofthinsteelplateshearwallswithoutstiffeners.Inordertoensurethesteelplatewithopeningshassufficientlateralresistantcapacitywhileweakeningthestif

8、fness,thelay