[发明专利]基于敏感系数法的高层建筑结构抗震性能优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型结构抗震设计的优化方法，具体是指基于敏感系数法的高层建筑结构抗震性能优化方法。

背景技术

中国是地震多发国家，从地震灾害的结果分析看，建筑结构的抗震设计对于降低地震灾害起到尤为重要的作用。为了提高结构抗震性能和降低建造成本，需对结构进行深入分析，采取精细化设计的方法对结构进行优化设计，保证建筑结构抗震设计质量，将材料用在结构抗震最需要的部位，减少建材浪费。

优化设计就是多个方案的比较遴选，对于复杂工程来说，这里面的多个方案可能是成百上千，因为复杂工程项目构件(变量)数目巨大，众多变量之间相互叠加将使组合方案数量呈指数形式增长，抛去一些不满足工程实际要求的方案，得到的备选方案仍是数目惊人。一般工程师在进行结构优化时，采取的策略是根据工程经验和抗震概念，如结构布置传力直接、刚度无突变、扭转效应不明显等，尽可能地减少变量数目，以有限的人力尽可能接近最优方案，但所需的时间较多。如果能够通过计算机自动进行结构优化，将大大节省人力。

通过算法和计算机进行结构优化的研究方向和方法多种多样，但真正适用于高层混凝土结构抗震优化的很少。高层结构设计和优化的难点在于计算规模巨大，结构体系多种多样，需要满足抗震规范的控制指标(约束条件)很多，不同物理量之间关系错综复杂、相互耦合，同时需要考虑抗震构造要求。因此，在其他行业中适应性非常高的算法移植到建筑结构优化分析时却显得力不从心。

发明内容

本发明的目的是提供基于敏感系数法的高层建筑结构抗震性能优化方法，该优化方法能够对高层建筑结构中各结构构件对地震作用下的位移角或位移比的贡献度进行定量分析，来确定高层建筑结构的抗震性能优化方向。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：基于敏感系数法的高层建筑结构抗震性能优化方法，其特征在于，该优化方法包括如下步骤：

步骤(1)：建立高层建筑结构模型，对高层建筑结构模型进行有限元计算分析，获得高层建筑结构的整体抗震性能指标和结构构件的截面尺寸，所述的结构构件包括梁构件、剪力墙构件和柱构件；

步骤(2)：根据步骤(1)获得的高层建筑结构的整体抗震性能指标结果，选择位移角或位移比中的某一项抗震性能指标作为优化目标，并对结构构件进行分组，将同一标准层、同一方向、相同截面的梁构件或剪力墙构件或柱构件设置为一组；

选择优化变量，其中，梁构件和柱构件支持截面宽度和高度同时变化，剪力墙构件支持截面长度和宽度同时变化，设置优化变量上限值取1.2倍的初始截面尺寸，下限值取0.8倍的初始截面尺寸，优化计算时，优化变量在设定的上下限范围内取值；

步骤(3)：设置结构构件优化的约束条件和一个目标函数，其中，约束条件的性能指标包括地震作用下的层间位移角、位移比、刚度比、承载力比、周期比、剪重比和刚重比，设置约束条件对应的性能指标的限值；目标函数的性能指标包括地震作用下的层间位移角或位移比，设置目标函数的性能指标对应的限值；上述约束条件和目标函数的各个性能指标均包含0°和90°两个主方向供设置；

步骤(4)：将优化变量形成变量组合矩阵，优化变量的组合数为k，其中k＝n+2，n为总优化变量数；

步骤(5)：对每一个参与组合的变量修改变量值，进行结构抗震计算分析得到设计实验数据结果；

步骤(6)：将得到的设计实验数据结果进行响应面拟合，得到结构构件的优化变量对目标函数的贡献度，即敏感系数，敏感系数的物理含义为优化变量每变化单位长度值导致目标函数的变化量，目标函数与敏感系数之间的关系用下式表示：

式中：η为目标函数，为地震作用下的层间位移角或位移比，θi为第i优化变量，Ai为第i个优化变量对应的敏感系数，n为总优化变量数，A0为常量；

步骤(7)：根据公式4，基于敏感系数法来计算目标函数，对高层建筑结构中各结构构件对地震作用下的位移角或位移比的贡献度进行定量分析，从而确定高层建筑结构的抗震性能优化方向。

本发明的基于敏感系数法的高层建筑结构抗震性能优化方法，敏感系数法作为数学分析与统计方法的结合物，能对多变量多约束的大型工程问题进行拟合和分析，非常适用于计算量大并且变量关系复杂的工程优化问题。结构抗震优化的目的是令结构在用户设定的结构整体性能约束条件(如地震下位移角、层间位移比、刚度比)，以及构件量级约束条件(如轴压比)情况下，使结构设计优化目标值达到最优。采用敏感系数法进行高层结构抗震优化设计，可在海量构件中快速找到影响某一抗震性能指标的关键构件，缩短优化周期，取得较好的优化效果。