基于均匀变形和混合智能算法的框架结构抗震优化设计

结构在地震作用下发生均匀损伤或均匀变形可以避免出现薄弱层和集中损伤,且结构整体抗震性能可得到全面提升。以此为目标对结构进行抗震优化设计具有重要的理论和工程意义,但相关的理论和规律性研究尚不够系统深入。针对目前结构优化算法计算效率较低的不足,提出基于差分进化算法和粒子群算法的混合智能算法,并给出结构优化计算流程。针对弯剪型框架结构,以弹性动力时程分析中结构各层的层间相对位移相等为优化目标,基于混合智能算法对结构楼层刚度进行优化设计,获得了楼层刚度的最优分布规律。在此基础上研究了地震动随机性和梁柱刚度比等因素对优化结果和刚度分布规律的影响。基于曲线拟合和等效理论分析,建立楼层最优刚度比和等效最优截面尺寸比的多项式函数。通过与现有研究成果的对比,验证所建立的经验函数具有较高的精度,可为面向均匀变形的结构优化设计提供准确有效的参考依据并可提高计算效率。     

考虑楼层刚度的新型消能伸臂结构动力特性研究

新型消能伸臂结构将伸臂与外框架柱节点断开并垂直连接黏滞阻尼器后利用两者之间的相对变形能获得较大能量耗散，已应用于越来越多的超高层建筑中。基于考虑普通楼层刚度提出新型消能伸臂结构简化等效模型并与ETABS计算结果进行对比，在此基础上分析楼层刚度、楼层数量及楼层梁跨度比等对整体结构主振型阻尼比、频率、最优阻尼系数等影响规律。结果表明：简化等效模型与ETABS计算结果吻合较好，附加阻尼比最大误差为13%;考虑楼层刚度后消能伸臂结构主振型附加阻尼比减小、频率增大；随着楼层梁刚度减小，附加阻尼比增大，最优阻尼比伸臂位置上移，最优阻尼系数增大；利用能量法提出的等效公式能反映楼层刚度对消能伸臂结构的动力特性影响并能简化分析过程，为新型消能伸臂结构的进一步工程应用提供了理论依据。     

基于损伤控制函数与失效概率的结构抗震性能多目标优化与评估

为避免高层建筑结构由于薄弱层破坏而引起整体倒塌,该文提出基于楼层组损伤控制函数与失效概率的结构抗震性能多目标优化方法。该方法通过增量动力分析选择结构失效概率达到50%的峰值加速度为目标地震动,定义楼层组损伤控制函数及失效概率两个性能指标,以构件截面尺寸为优化变量对结构进行优化分析。对一30层钢筋混凝土框筒结构进行优化,并基于PACT（Performance Assessment Calculation Tool）平台对优化前后结构的抗震性能进行评估。结果表明,优化后结构各层层间位移角分布趋于均匀且自上而下损伤逐渐减小,倒塌储备系数增加29.8%;外框架与核心筒修复费用均降低,墙与框架协同作用加强,优化后结构的抗震性能显著提高。     

RC框架结构地震均匀损伤优化设计

地震均匀损伤失效模式是指结构在强震下各楼层的损伤大小相同、侧向变形近似,并具有全局化的耗能机制,是结构较理想的破坏模式。提出了考虑土-结构动力相互作用影响的RC框架结构地震均匀损伤优化设计方法。以结构层间位移角均匀化为目标,以梁柱构件截面配筋为优化变量,考虑材料成本约束和配筋率等约束,融合结构层间位移角分布和梁柱构件转角大小,提出了基于优化准则法的RC框架结构均匀损伤优化设计方法。基于非线性温克尔地基梁模型(BNWF),建立了能够考虑土-结构相互作用的RC框架结构分析模型。以两个5层和12层结构为例,研究了收敛参数对收敛速度和收敛稳定性的影响规律,分析了优化过程中各楼层配筋转移情况,对比了优化前、后结构的梁柱转角大小和层间位移角分布。结果表明,该文优化方法可使结构的损伤分布更加均匀,降低结构的最大层间位移角,提高结构的抗震能力。     

考虑荷载分布模式的弯剪型结构最优刚度分布解析研究

如果结构在外部激励下产生均匀损伤或均匀变形,则可避免出现薄弱层且可提高承载能力和安全性,以此为目标进行结构优化具有重要意义。将弯剪型结构简化为连续变截面悬臂杆,假定结构截面函数具有自然指数型和幂函数型等形式,将地震和风荷载等外部激励等效为均布、倒三角和惯性相关等三种荷载分布模式。根据均匀变形准则将结构绝对位移曲线关于高度的二次导数为零作为优化目标,建立结构连续化位移方程并进行优化求解,获得了考虑荷载分布形式的弯剪型结构最优刚度和截面分布解析解。理论和数值分析结果表明:截面按幂函数变化的结构能够实现均匀损伤,不同荷载分布模式下的最优刚度或截面分布有所不同。有限元静动力分析结果进一步验证了解析解的准确性和实用性。     

基于等损伤的钢框架结构抗震性能优化

等损伤设计是指在地震作用下结构所有构件(楼层)发生同等程度的损伤而形成均匀的侧向变形,使所有结构构件的性能均能充分发挥。该文采用优化准则法发展了基于OpenSees平台的钢框架结构等损伤抗震设计方法。通过提取结构在强震下的构件损伤指数来获得损伤指数比列阵,进而定量地对损伤严重部位进行加强、对损伤较轻部位进行削弱;基于材料总造价恒定和体系约束条件,对所有构件进行重新调整。以一个8层钢框架结构作为原始结构,采用规范反应谱拟合的一条人工地震动作为输入,探讨了不同超松弛因子对优化结果的影响;通过大样本时程分析,对比了结构优化前后的层间位移角分布、整体损伤指标、楼层损伤分布和整体抗震能力,结果表明该文的优化方法能有效的提高结构的抗震能力。     

大展弦比复合材料机翼气动弹性优化

使用遗传/ 敏度混合优化算法对大展弦比复合材料机翼进行气动弹性优化设计研究。在满足强度、位移、发散速度和颤振速度等约束条件的前提下, 以机翼各部件复合材料铺层的厚度为设计变量, 对结构进行重量最小化设计。研究表明: 弯曲变形严重影响最终的优化重量, 是设计大展弦比复合材料机翼结构时应该重点考虑的问题; 按照应力设计准则对这类结构进行设计, 往往很难满足弯曲变形的要求; 使用遗传/ 敏度混合优化算法对大展弦比复合材料机翼进行气动弹性优化设计能够在可以接受的计算耗费下获得满意的结果。      

胶粘结固紧调焦镜有限元分析

为了研究调焦镜组件中环形胶层对系统的影响,分析了胶层的建模方法即详细模型和等效刚度模型.采用等效刚度模型对调焦镜组件进行均匀温度变化分析,把计算的面形误差和实际检测结果对比.综合考虑结构粘合剂泊松比、粘结位置、胶层宽度和胶层厚度等因素对面形误差的影响,提出改进的优化设计方案,并对调焦镜组件进行尺寸稳定性分析,同时考察粘结安装过程中可能出现的偏心现象对系统的影响.计算结果表明:对胶层使用等效刚度模型可以准确反映结构粘合剂的材料属性,优化的粘结方案不仅满足设计要求而且有效防止了偏心粘结造成的胶层分布不均匀对系统的影响.     

框支剪力墙结构楼层侧向刚度比值初探

针对现行规范关于框支剪力墙结构设计中楼层侧向刚度控制准则的局限性,从理想化悬臂杆件的抗侧刚度和变形出发,提出高层建筑转换层结构底部刚度的需求应使结构的变形与理想化悬臂杆件的变形接近;通过经典力学原理推导出上述理想杆件变形曲线,并以此曲线为基准,得出符合此曲线的结构层间位移角,以工程界所熟悉的层间位移角比值作为控制参数反映高层建筑转换层结构的楼层侧向刚度比。进行一系列按不同的楼层刚度控制准则下的典型框支剪力墙结构在地震作用下的弹性及弹塑性性能分析,通过对转换层结构的动力响应和屈服机制进行比较,初步证明该文所提出的楼层侧向刚度控制准则较现行规范更趋合理,可供工程借鉴。     

多孔阻尼复合板优化研究

将约束层阻尼板中的阻尼层设计成具有周期方孔胞元的多孔阻尼结构,采用均匀化理论,计算多孔阻尼层的等效弹性张量。建立均匀化的约束层阻尼板有限元模型,计算多孔阻尼复合板的损耗因子。以多孔阻尼层等效剪切模量为设计变量,以结构模态损耗因子最大化为目标函数,对多孔阻尼复合板中的阻尼胞元进行尺寸优化。给出数值算例,并与商业有限元软件计算结果进行对比,结果表明：采用均匀化理论,对多孔阻尼复合板中的阻尼胞元尺寸进行优化是可行的,采用优化后等效剪切模量设计的阻尼胞元尺寸,不仅阻尼材料用量大为减少,减振效果也有所增强,该方法对约束阻尼结构的优化设计具有一定指导意义。     

基于敏度分析的框架抗震优化

针对目前结构抗震优化设计方法存在优化效率低下的问题,提出一种高效的框架抗震优化设计方法。在有限元法和Newmark法基础上导出一种高效的层间相对位移对设计变量一阶和二阶导数的算法,建立显含时间参数,以结构质量最小化为目标,同时满足层间相对位移和设计变量约束的优化数学模型,通过积分型内点罚函数将显含时间参数的不等式约束优化问题转变为一系列不含时间参数的无约束优化问题,利用层间相对位移对设计变量一阶和二阶导数的信息计算罚函数的梯度和海森矩阵,然后利用梯度和海森矩阵构造求解优化设计问题高效有效的优化算法。算例表明本文的抗震优化方法能获得结构的最优设计,具有简单、下降速度快、不需要进行一维搜索等特点。是一种有效和高效的框架抗震二阶优化方法。     

软土浅埋框架结构抗震计算方法评价

摘要：我国地下工程结构的抗震设计主要采用等效静力法,国外则提出了自由场变形法、反应位移法等方法。本文分析评价等效静力法、自由场变形法和反应位移法应用于软土地下结构抗震设计的差异。分析中设定表征软土地下结构的基准模型,并以动力时程分析给出地下结构的地震响应。假定地质条件和结构埋深不变,通过比较分析随基准模型的结构刚度变化时计算变形和内力的差异,评价三种拟静力地下结构抗震设计方法的适用性。结果表明,等效静力法对刚度较大的浅埋框架结构适用性较好,其它情况计算的结构变形和内力偏大;自由场变形法适用于浅埋框架结构刚度较小或与周围地层刚度接近的情况,且倒三角形分布力模式优于集中力模式;反应位移法可适用于不同刚度软土浅埋框架结构的抗震设计。     

变刚度地基上基础隔震结构动力学特性变化规律试验研究

基于饱和砂性土地基动孔压比变化对地基刚度的影响规律,通过控制输入地震动持时压缩比和强度的方法,提出了变刚度地基上隔震结构振动台模型试验方法,并结合已完成的不同地基上土-桩-隔震结构系列振动台模型试验,分析了地基刚度变化对基础隔震结构动力学特性的影响规律。结果表明,随着结构-土体相对刚度比的增大,变刚度地基上基础隔震结构一阶自振频率降低,但体系阻尼比明显增大,尤其是隔震层的隔震效率发生了明显的降低。变刚度地基上结构-土体相对刚度比显著影响隔震结构楼层加速度反应和层间位移反应,强震下结构-土体相对刚度比越大,隔震结构楼层加速度反应和层间位移反应较刚性地基时增大越显著。基于系列振动台模型试验结果,初步给出了基于结构-土体相对刚度比的小高宽比隔震结构模型周期延长率、阻尼比、层间位移角SSI影响率以及隔震层位移SSI影响率的预测公式,该研究结果有助于推动结构隔震技术的更广泛应用。     

基于子结构虚拟变形的损伤识别方法

针对大型土木结构损伤识别优化效率低的问题,提出了子结构虚拟变形方法。虚拟变形方法是一种结构快速重分析的方法,该方法利用单元的虚拟变形模拟结构的损伤,可以在不重新建立有限元模型的情况下,快速计算出结构参数改变后的结构响应。该文基于虚拟变形法的基本思想,对子结构的刚度矩阵进行分解和对损伤后结构运动方程进行整理,推导出利用子结构的虚拟变形刻画损伤的方法,扩展了虚拟变形方法的适用范围;并且给出了虚拟变形和结构响应的相关性计算公式,通过相关性分析提取主要的虚拟变形,减少参与计算的子结构虚拟变形的数目,提高计算效率;最后利用一个五十层框架的数值仿真验证方法的有效性。     

屈曲约束支撑框架的支撑布置原则研究

屈曲约束支撑框架的支撑布置原则对其减震效果和结构的抗震性能影响显著。建立检验减震效果的6层和16层钢框架基准模型,分别以位移和层间位移不均匀系数为衡量结构地震损伤程度和损伤集中效应的指标,分析了支撑和框架间以及楼层间支撑较优且经济适用的布置原则。结果表明:减震效果随支撑面积的增加而减弱,建议主体框架加入支撑后结构的基本周期降低不宜超过1.5倍~2.0倍;支撑面积在楼层方向线性分布的比例系数为0.5~1.0时,结构的损伤集中效应较小。以“上层BRB屈服应发生在下层框架屈服之前”为性能目标,推导了楼层间支撑面积比上限值的理论公式,并用一个算例验证了公式的正确性。公式表明:当框架刚度较低或者屈服位移较小时,需严格限制支撑面积比,以防出现仅有某层或者较少层BRB屈服的集中损伤模式的不利现象。基于上述布置原则,给出了屈曲约束支撑框架设计流程。     

基于等效静载荷和模态跟踪的结构拓扑优化

为实现结构动态多目标下的拓扑优化设计,以特定模态固有频率最大化和动态柔顺度最小化加权函数为目标,提出动力特性和动力响应综合目标的渐进结构拓扑优化模型。基于等效静载荷原理,将结构的动刚度拓扑优化设计问题转换为多载荷工况静态刚度拓扑优化设计问题。基于模态跟踪技术,保证结构指定模态在渐进优化过程中的一致性。构建归一化目标函数避免不同性质目标函数的量纲与量级差异,融和渐进结构优化方法构造动态多目标下的连续体渐进结构拓扑优化算法。数值算例结果表明:所提出的动态多目标渐进结构优化方法对结构动力学拓扑优化问题具有一定的适用性,拓展了渐进结构优化方法在动力学拓扑优化设计的应用领域。     

基于三维梁理论的复合材料层合管等效抗弯刚度

针对任意铺层形式和任意壁厚复合材料圆形层合管件,提出一种等效抗弯刚度的计算方法。此方法采用符合复合材料圆形管件梁真实变形的变形理论,考虑横向剪切变形,非均匀扭转效应,主、次挠曲效应和层合材料的三维弹性效应,按照壳壁中实际应力状态,建立了复合材料圆形管件等效抗弯刚度的计算模型。通过与4种铺层管件的三点弯曲实验结果以及经典层合板理论计算的等效抗弯刚度进行对比,验证了计算模型的正确性。通过退化与各向同性材料抗弯刚度的计算方法进行对比,分析了计算模型的适用性。      

剪力墙结构基于性能抗震设计的目标层间位移确定方法

结构层间变形的计算和性能水平的划分,是基于性能的抗震设计中确定目标位移的关键问题之一。该文根据剪力墙结构的受力特点,将楼层位移分为有害位移和刚体位移,将层间位移分为名义层间位移和有害层间位移;分析了剪力墙结构的名义层间位移、有害层间位移及楼层转角之间的关系,给出有害层间位移的近似计算公式并进行误差分析;对结构层间变形的计算方法进行改进,提出采用有害层间位移角作为剪力墙结构的性能指标,进行结构性能水平的划分,并采用有害层间位移角和顶点位移角两个参数来控制剪力墙结构的变形。最后,给出剪力墙结构目标层间位移的确定方法,以此确定其目标侧移曲线,可进行直接基于位移的抗震设计。     

基于ICM法的高层建筑大型支撑体系拓扑优化

提出应用连续体结构拓扑优化ICM法对高层建筑大型支撑体系进行拓扑优化。针对高层建筑规范对结构刚度限值是以层间相对位移差形式给出、并结合结构拓扑优化特点,推导了相对位移差敏度分析的伴随法公式,有效提高了计算效率。应用ICM法建立位移约束下结构重量极小化的优化模型,与高层建筑规范对结构刚度限值要求的提法更符合,得到的最优拓扑完全满足规范要求。所提方法应用在概念设计阶段,提供了一种自动化的分析计算及优化设计工具,可以有效地弥补基于经验设计的不足。     

框架-摇摆墙结构阻尼优化设计方法研究

摇摆墙体与主体框架之间存在较大的竖向变形,可于此变形集中部位增设耗能构件,实现保护主体结构的基本损伤机制。提出附加阻尼的框架-摇摆墙结构,并基于等效线性化理论初步计算结构仅附加单一类型阻尼器的阻尼置放量,而后通过定义目标函数,确定可使目标函数最小的同时附加粘滞阻尼与金属阻尼的阻尼器布置方式,得到结论如下:1于弯剪型结构,当仅考虑结构加速度控制时,可沿结构总高布置粘滞阻尼器,而需综合考虑结构楼层位移、加速度时及层间位移角时,可于结构2/3处下部安装金属阻尼器,与其上部1/3处安装粘滞阻尼器;2于剪切型结构,当仅考虑结构层间位移角时,可于结构楼层1/2处下部安装金属阻尼器,与其上部1/2处安装粘滞阻尼器,而需综合考虑结构楼层位移、加速度及层间位移角时,则可于结构1/3处下部安装金属阻尼器,与其上部2/3处安装粘滞阻尼器。