基于智能算法的自复位耗能支撑结构体系抗震性能优化

摘要

基于性能的建筑结构设计理念定义了三级结构性能水准:生命安全水准、结构损伤水准及确保使用功能水准，其中结构损伤水准在实际工程中较易量化，同时结合建筑结构弹塑性分析方法，能根据结构整体和构件性能组的损伤等级，运用蒙特卡罗方法模拟出结构在地震作用后所需的修缮费用，具有一定的工程意义。对结构损伤的准确描述是实现这一设计方法关键，同时设计师需要在不明显增加工程造价的前提下，显著提高结构的抗震性能。此外，为了使结构在地震后具有较小的残余位移，具有功能可恢复构件的结构体系也应运而生。对该类构件设计参数及布置位置的优化也成为国内外学者的研究热点。本文将更准确的损伤指数及支撑力学模型用于结构抗震性能的评价及优化中，提出基于遗传算法和Back Propagation(BP)算法的预压弹簧自复位耗能(PS-SCED)支撑结构体系的抗震性能优化方法，主要研究内容如下:
　　(1)针对钢筋混凝土(RC)柱Park-Ang双参数损伤模型的的边界收敛性及变量离散性缺陷提出修正。通过理论推导，得出P-△效应对构件侧移的影响。利用多组RC柱抗震性能试验数据，根据构件的抗侧刚度、箍筋间距及横向箍筋约束类型等指标，运用对数拟合及贝叶斯参数更新法，得到两种修正模型表达形式，并给出变量参数的建议取值。提出一种运用RC剪力墙构件残余位移及骨架曲线计算卸载刚度的方法，通过试验数据对比验证了刚度退化及Kunnath弯曲型损伤模型在描述RC剪力墙构件损伤演化时的适用性及准确性。
　　(2)结合BP算法，提出一种新的RC框架结构抗震性能优化方法。首先求解结构在地震作用下的局部损伤指数，以预设的构件损伤组合系数为权重，计算整体损伤指数预测值。然后将该预测值与通过宏观响应计算得到的整体损伤指数间的误差反向传递，修正损伤组合系数，最终以修正后的损伤组合系数定义结构的地震敏感性构件。本文结合抗震性能评估准则，以一6层RC框架结构为例，增大其地震敏感性构件的截面尺寸及相应配筋。结果表明:基于BP算法的抗震性能优化方法能在不增加工程造价的前提下，使结构的层间位移角减小，各极限状态的超越概率降低，同时减缓结构整体损伤的发展。
　　(3)提出了一种基于遗传算法的RC框架-剪力墙结构失效模式多目标优化方法。该方法以截面尺寸为优化变量，材料用量为约束条件，最大层间位移角及结构整体损伤指数为算法目标函数，利用基因序列的杂交及变异，实现有利基因的传递。将一5层RC框架结构简化为集中质量体系，验证了优化算法的正确性。以一10层RC框架-剪力墙结构为例，运用增量动态分析(IDA)，确定其敏感地震动及相应峰值加速度(PGA)，并作为优化过程中的地震动输入。对结构进行静力弹塑性分析，得到其屈服及极限位移，用于计算整体损伤指数。提出了多目标最小值优化问题的线性加权方法，同时评价优化算法对各结构性能指标的收敛性。基于遗传算法的RC框架-剪力墙结构失效模式多目标优化方法具有较好的鲁棒性，经该方法进行失效模式优化后结构的最大层间位移角及整体损伤值均显著降低，层间位移角分布更加均匀。临界倒塌状态附近结构的失效模式从底层失效转变为顶层失效，结构的各极限状态年超越概率均减小，且结构抗倒塌储备系数(CMR)提高。
　　(4)提出一种改进的PS-SCED支撑力学模型，该模型能根据相关状态变量的指示识别支撑的工作阶段。对一PS-SCED支撑进行了力学性能试验研究，并在ABAQUS中验证了二次开发支撑单元的正确性。基于BP算法，提出一种新的支撑布置安装策略。以一9层支撑-钢框架结构为例，将PS-SCED支撑布置于结构地震敏感性构件一侧，并与连续通长支撑布置策略下的结构抗震性能进行对比。经BP算法优选支撑布置位置后的结构具有更强的耗能能力，支撑耗能离散度降低，局部损伤得到有效改善，且抗震性能得到提高。
　　(5)用线性加速度方法求解支撑-多自由度体系的运动方程，为了优化初步设计方案，建立了一种基于遗传算法的PS-SCED支撑-结构体系参数多目标优化方法。运用直接积分法(DDM)推导出结构响应对支撑参数的敏感性，用于修正遗传算法模块中的参数变化率。对一10层PS-SCED支撑-钢框架结构进行了基于遗传算法的支撑参数多目标优化，结果表明，对结构响应敏感性越大的参数在遗传算法中应具有较小的变化速率，经该方法优化支撑设计参数的结构最大层间位移角降低，层间位移角分布均匀，该方法在优化过程中收敛性最好。该研究成果能协助完善系统化的PS-SCED支撑结构的设计过程。

目录

声明

致谢

摘要

1．1课题研究背景

1．2建筑结构构件及整体损伤模型

1．3建筑结构抗震性能优化

1．4自复位耗能支撑结构体系

1．5本文主要研究内容

2．1引言

2．2结构损伤模型

2．2．1截面损伤模型

2．2．2修正的Park-Ang双参数损伤模型

2．2．3 RC墙刚度退化损伤模型

2．3结构抗震性能指标

2．4本章小结

3基于BP算法的RC框架结构抗震性能优化

3．1引言

3．2基于BP算法的结构优化理论

3．3基于BP算法的北川县政府大楼抗震性能优化

3．3．1计算模型及不利地震动选择

3．3．2结构优化分析

3．4本章小结

4基于遗传算法的RC框架剪力墙结构失效模式优化

4．1引言

4．2 RC结构失效模式优化

4．3遗传算法验证

4．4算例分析

4．4．1 RC框剪结构模型建立

4．4．2不利地震动及结构失效模式

4．4．3结构优化分析

4．4本章小结

5基于BP算法的PS-SCED支撑结构位置优化

5．1引言

5．2改进的PS-SCED支撑力学模型

5．3 PS-SCED支撑性能试验及模型二次开发

5．4 PS-SCED支撑一钢框架结构支撑位置优化

5．5本章小结

6基于遗传算法的PS-SCED支撑结构抗震性能优化

6．1引言

6．2 PS-SCED支撑结构体系的计算模型

6．3遗传算法优化及支撑参数敏感性分析

6．3．1优化问题的数学模型

6．3．2结合参数敏感性分析的优化改进

6．4算例分析

6．4．1计算模型及优化问题初始化

6．4．2参数敏感性分析

6．4．3考虑参数敏感性的遗传算法优化分析

6．5本章小结

7．1结论

7．2展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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