一种预制无粘结预应力剪力墙结构快速优化设计方法与流程

本发明涉及建筑结构设计技术领域，尤其涉及预制无粘结预应力剪力墙结构快速优化设计方法。

背景技术：

现有的预制无粘结预应力剪力墙结构迭代、试错的设计方法精确度不高，运算较慢、效率较低，无法得到精确解，并且不能在很短的时间内得到结果。

因此需要提出一种精度高、运算快以及效率高的预制无粘结预应力剪力墙结构设计方案。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种预制无粘结预应力剪力墙结构快速优化设计方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种预制无粘结预应力剪力墙结构快速优化设计方法，包括步骤：

创建预制无粘结预应力剪力墙系统；

利用遗传算法优化后张拉预制无粘结预应力剪力墙系统，以确定抗剪连接件耗能最大时，后张拉预应力筋面积的最小值。

进一步地，所述创建预制无粘结预应力剪力墙系统的步骤，具体包括：

获取墙体的尺寸、材料属性及侧向力和目标层间位移角；

根据所述墙体的尺寸、材料属性及侧向力和目标层间位移角等参数，设计预制无粘结预应力剪力墙结构。

进一步地，利用遗传算法优化后张拉预制无粘结预应力剪力墙系统，以确定抗剪连接件耗能最大时，后张拉预应力筋面积的最小值的步骤，具体包括：

运用遗传算法随机选取最佳值，创建预制无粘结预应力剪力墙结构的初始种群；

对预制无粘结预应力剪力墙结构的约束条件进行验证；

通过多次迭代选择使后张拉预应力筋面积最小并且抗剪连接件耗能最大时的二者最优组合。

进一步地，所述对所述预制无粘结预应力剪力墙结构系统的约束条件进行验证的步骤，具体包括：

确保所述预制无粘结预应力剪力墙结构系统的后张拉预应力筋不屈服；

确保所述预制无粘结预应力剪力墙结构系统的端墙板不能整体向上抬升；

确保所述预制无粘结预应力剪力墙结构系统实现残余变形为零；

确保所述预制无粘结预应力剪力墙结构系统的墙板实现摇摆而不能滑移；

确保所述预制无粘结预应力剪力墙结构系统的墙板的抗弯能力大于或等于设计值。

进一步地，确保后张拉预应力筋不屈服需要满足以下公式：

其中：

fpy为制定的预应力筋屈服力；

ψl为左外板预应力筋应力与混凝土抗压强度的应力比；

ψr为右外板预应力筋应力与混凝土抗压强度的应力比；

ψm为内板预应力筋应力与混凝土抗压强度的应力比；

f′c＝混凝土的抗压强度；

ηl是在左外墙的预应力筋的应力比；

ηm是在内墙的预应力筋的应力比；

ηr是在右外墙的预应力筋的应力比。

进一步地，确保端墙板不能整体向上抬升需要满足以下公式：

其中：

ρ2是设计的参数；

ω为混凝土抗压力；

fp0是考虑预应力损失后预应力筋初始应力值。

f′c＝混凝土的抗压强度；

ψ0为fp0和f′c的比值。

进一步地，确保残余变形为零需要满足以下公式：

其中：

α0，avg是所有墙板α0的平均值；

α0为压缩力在零点漂移时相对于墙板长度的部分的相对位置。

进一步地，确保墙板实现摇摆而不能滑移需要满足以下公式：

其中：

α0，avg是所有墙板α0的平均值；

是单墙的纵横比。

进一步地，满足所有优化约束条件，通过多次迭代选择使后张拉预应力筋面积最小并且抗剪连接件耗能最大时的二者最优组合的步骤，具体包括：

通过遗传算法的选择、突变函数、交叉和迁移算子迭代当前种群；

从迭代后的种群选择若干精英个体，将之放入下一代的迭代中；

当迭代次数满足终止条件时，停止判断，选择使后张拉预应力筋面积最小并且抗剪连接件耗能最大时的最佳组合。

本发明的有益效果为：

(1)通过遗传算法的选择、突变函数、交叉和迁移算子迭代当前种群；从迭代后的种群选择若干精英个体，将之放入下一代的迭代中；当迭代次数满足终止条件时，停止判断，选择使后张拉预应力筋面积最小并且抗剪连接件耗能最大时的最佳组合。本设计方法精确度高，运算较快、效率高，可得到精确解，并且能在很短的时间内得到结果。

(2)本申请中的约束条件的设计，能够很好的为确定后张拉预应力筋面积最小时抗剪连接件耗能最大时最佳组合作出约束，使得结果更加精确，运算较快，效率高。

附图说明

图1为本发明预制无粘结预应力剪力墙结构快速优化设计方法的技术构架图；

图2为本发明预制无粘结预应力剪力墙结构的总体设计图；

图3为本发明所有抗剪连接件在一个垂直连接处的总屈服力设计图；

图4为本发明预制无粘结预应力剪力墙结构快速优化设计方法的流程框图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

无粘结预应力剪力墙结构，如图1所示，由两个或多个单预制混凝土墙面板组成，它们与抗剪连接件连接在一起，形成u形弯曲板，放置在垂直连接处。此外，每个墙面板通过放置在每个墙板中间的未粘合的预应力筋和地基连接，剪力连接件通过屈服来消散能量，并且预应力筋随着墙面板的重量和墙面板支撑的重力载荷使墙体恢复到原来垂直的位置，消除地震后的残余漂移。

其中预制无粘结预应力剪力墙结构快速优化设计方法主要为：

首先创建预制无粘结预应力剪力墙系统；

获取墙体的尺寸、材料属性及侧向力和目标层间位移角；

根据所述墙体的尺寸、材料属性及侧向力和目标层间位移角等参数，设计预制无粘结预应力剪力墙结构。

利用遗传算法优化后张拉预制无粘结预应力剪力墙系统，以确定抗剪连接件耗能最大时，后张拉预应力筋面积的最小值的步骤；

首先运用遗传算法随机选取最佳值，创建预制无粘结预应力剪力墙结构的初始种群；

然后对预制无粘结预应力剪力墙结构的约束条件进行验证；

然后通过多次迭代选择使后张拉预应力筋面积最小并且抗剪连接件耗能最大时的二者最优组合。

预制无粘结预应力剪力墙结构的总体设计思路如图2所示。图2说明了ω和ρ1之间的关系。这里的ω和ρ1是抗剪连接件的力矩与总力矩的比值，以及预应力筋分别的比值，其中：

ap，iw和tw分别是预应力筋的面积，墙板的水平长度和墙板的厚度。

对于给定的总设计力矩和峰值漂移θdes，ω越高导致ρ1越高，阻尼越明显，剩余漂移越大。

此外，图2显示，最佳设计方案应该为，当预应力筋的面积达到最小值而获得最大的耗能的时候，在ωmax和ρ1，min之间的交点，保持墙体的力矩等于或大于实际设计力矩，同时实现零剩余漂移。这里，ωmax和ρ1，min是ω和ρ1的最佳点。

本实施例中采用matlab编写的程序，利用遗传算法确定预应力筋与抗剪连接件之间的最小组合。

其中具体的设计方法为：

优化设计的设计参数和方程，基本无量纲参数和方程如下所示：

其中，fsc＝所有抗剪连接件在一个垂直连接处的总屈服力(参见图3)；f′c＝混凝土的抗压强度。单墙的纵横比为：

其中，hw为墙板的总高。

与墙体基部力有关的无量纲指数，由墙体自重和其他重力荷载引起，混凝土抗压力为：

其中，γc为混凝土密度；并且γl为另一个无量纲参数，成为等效密度，它将墙板上的分布载荷与墙板的横截面积联系起来。混凝土密度为：

其中，wfloor为墙体上、基座上、各楼层线性分布的重力荷载。

以三个等式分别为在左外板(ψl)、右外板(ψr)、内板(ψm)的特殊的设计漂移处中的预应力筋应力与混凝土抗压强度的应力比。应力比是预应力筋的初始应力、混凝土强度、设计漂移、墙体几何形状、墙体的重力荷载，预应力筋的面积和垂直连接点的抗剪连接件的屈服力的函数。

其中，fp，desl，fp，desr，fp，desm是左外墙、右外墙和内墙的设计漂移的pt应力；fp0是考虑预应力损失后预应力筋初始应力值；ep是预应力筋弹性模量；k1是whitney矩形等效应力除以f′c为0.85的值；β1是等效压缩应力块的深度除以中性轴的深度。

其中，n为墙板的数量。

将等式(1)的无量纲ωmdes代入等式(10)后得到下列无量纲关系：

其表达式如下:

此外，无量纲等式的解包含最优过程，以确保所有墙板的力矩mcap大于或等于应用设计力矩mdes，如下等式所示：

mcap≥mdes；

为了实现最优解，必须满足上述等式。

设计等式的基础为：

(1)设计力和漂移极限已知。利用系统的集合形状，漂移比得到界面转动；

(2)墙体的整体尺寸由初步计算可知；

(3)每个墙板，预应力筋设于墙板的中间；

(4)预应力筋在设计漂移时保持在弹性范围内；

(5)抗剪连接件为刚性塑料；

(6)材料性能已知。

通过上述计算获取了，要想达到优化效果，则必须满足上述等式，因此通过上述等式对预应力剪力墙结构的设计进行优化，其中优化的目的是：在保持墙体的力矩等于设计力矩的同时，找到预应力筋的最小面积，达到抗剪连接件的最大耗能能力，同时实现零剩余漂移。

具体的方案为：设计参数：ρ1，ρ2目标函数

ap＝ρ1.lw·tw,

求最小值ap，约束条件为：

(1)预应力筋屈服力：

如果墙在地震后要重中心化，预应力筋力不能屈服。需要满足以下三个等式的标准实现的。本研究假设参数为0.95。α是小于或等于1的系数，以确保预应力筋不屈服。

其中，fpy为制定的预应力筋屈服力；ηl，ηm和ηr是在左外墙、内墙和右外墙的预应力筋的应力比。

(2)端板抬升：为了保证端墙板能承受升力，必须检查升力与下压力k0的比值。

其中，fp0是考虑预应力损失后预应力筋初始应力值，ψ0为fp0和f′c的比值。

(3)剩余漂移

这个设计概念的主要目标之一是提供墙板之间的抗剪连接件在地震期间耗散地震能量，并允许墙在地震后重新中心化。为此，pt力加上墙自重和任何施加的重力载荷所产生的恢复力矩必须大于抗剪连接件对应的力矩

其中，α0，avg是所有墙板α0的平均值；α0为压缩力在零点漂移时相对于墙板长度的部分的相对位置。每个墙板都有自己的α0并且可以用类似于先前的设计漂移级别的方式找到。

(4)摇摆和滑动：满足以下力比，确保墙板摇摆而不是滑动。

(5)设计力矩和矩量的关系：墙的矩量必须大于或等于设计力矩，即

mcap≥mdes

然后利用遗传算法优化后张拉预制无粘结预应力剪力墙结构，以确定抗剪连接件耗能最大时，后张拉预应力筋面积的最小值。

采用本实施例提供的一种预制无粘结预应力剪力墙结构快速优化设计的方法，通过首先建立无粘结预应力剪力墙结构，然后对该结构的数据进行优化，获取抗剪连接件耗能最大时，后张拉预应力筋面积为最小值时的无粘结预应力剪力墙，保证了获取最优结构的无粘结预应力剪力墙结构。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。