基于拓扑优化方法的框架建筑结构粘滞阻尼器布局优化设计

摘要

建筑结构抗震减震设计一直是结构工程师关注的焦点，被动控制是减小建筑结构地震动响应和提高抗震减震能力的常用措施。在耗能减震结构被动控制中，粘滞阻尼器的减震控制效果大多依赖于其安装数量和布局位置，阻尼器的合理布局能够保证减震效果的同时降低造价成本。目前大部分已有研究工作都是对阻尼器的阻尼系数与布局位置分别进行优化，其减震效果还有待改善。为此，本文实现了在实际地震动作用下，建筑结构造价最小化目标下的粘滞流体阻尼器布局位置与阻尼系数的同步优化。 首先，分别采用层模型与杆系模型作为平面和空间框架建筑结构的地震线性动力响应分析模型，以粘滞流体阻尼器减震框架建筑的工程造价最小化为目标函数，以阻尼器的布置位置与型号阻尼参数为设计变量，通过限制地震动作用下结构的最大层间位移建立优化列式。该优化问题的设计变量包含离散设计变量和连续设计变量两种类型，传统的混合整数规划法求解该类问题计算量很大。本文利用结构拓扑优化密度法中RAMP模型对优化问题目标函数中的离散设计变量进行连续化处理，然后采用移动渐近线法求解优化问题。 最后，算例结果表明本文方法对平面框架与空间框架结构同样适用，具有较高的计算效率，获得了最小造价的前提下建筑减震结构粘滞阻尼器的位置布局和阻尼系数的同步优化设计方案。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 结构耗能减震控制的基本原理

1.3 建筑结构耗能阻尼器优化设计的研究进展

1.3.1 平面建筑结构阻尼器优化的研究现状

1.3.2 空间建筑结构阻尼器优化的研究现状

1.4 论文主要工作

2 建筑结构粘滞阻尼器的优化设计列式和求解

2.1 粘滞阻尼器的简介

2.1.1 粘滞阻尼器的基本构造与工作机理

2.1.2 粘滞阻尼器的力学模型

2.1.3 粘滞阻尼器的性能影响因素

2.2 阻尼器优化问题的列式和求解方法

2.2.1 结构优化设计方法

2.2.2 求解优化问题的数学算法

2.2.3 移动渐近线法

2.3 结构拓扑优化中的密度法

2.4 本章小结

3 平面框架建筑结构的粘滞阻尼器参数与布局位置的同步优化

3.1 框架建筑结构的地震动力响应分析模型

3.1.1 动力响应分析模型分类

3.1.2 结构层模型简介

3.2 平面结构的动力学分析

3.2.1 结构动力学分析方程的建立

3.2.2 动力学方程中矩阵的组集

3.2.3 动力学方程数值解—Newmark法

3.3 粘滞阻尼器布局和阻尼系数的同步优化

3.3.1 优化问题的设计变量与约束函数目标函数

3.3.2 优化问题的约束函数

3.3.3 优化问题的列式整理

3.4 优化列式的后处理

3.4.1 设计变量的连续化处理

3.4.2 约束函数的变形

3.5 优化问题的计算实现

3.6 算例分析

3.7 本章小结

4 空间框架建筑结构的粘滞阻尼器参数与布局位置的同步优化

4.1 空间线性结构主体结构分析模型

4.2 杆系结构有限单元法

4.2.1 空间结构总刚度阵

4.2.1 空间结构总质量阵

4.2.3 空间结构总阻尼阵

4.3 算例分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢