[发明专利]基于框架结构的子结构的多层框架消能减震设计方法

权利要求书

1.一种基于框架结构的子结构的多层框架消能减震设计方法，所述框架结构的子结构包括多层框架结构(1)，位于所述多层框架结构(1)上的环状矮墙(2)，底部借助摩擦型支座(5)放置于所述环状矮墙(2)内的子结构(4)，设置于所述环状矮墙(2)内壁上的一层或多层碰撞耗能材料(3)，以及设置于所述环状矮墙(2)内壁上的若干个立方刚度非线性弹簧(6)；

其特征在于，所述多层框架消能减震设计方法包括以下步骤：

步骤1、建立多层框架结构的等效缩阶模型；

步骤2、基于多层框架结构的等效缩阶模型设计基于子结构的消能减震装置参数；

步骤3、在有限元软件中，模拟验证所设计的消能减震装置的有效性；

步骤4、在真实结构的关键节点安装监测系统，基于震后数据对步骤1的模型进行模型更新，重复步骤2和步骤3，实现震后建筑功能的快速恢复。

2.根据权利要求1所述的多层框架消能减震设计方法，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤1.1、建立多层框架的有限元模型，计算在不同地震波作用下结构的动力响应；

步骤1.2、地震作用下，建立多层框架的有限元模型的等效缩阶模型，即多自由度系统的基本运动方程：

根据缩阶模型得到框架的状态空间方程：

其中：Z表示系统的状态量，表示系统的观测量x^T，表示系统状态的相对量；为绝对加速度；

状态矩阵和观测矩阵分别为：

在所述状态空间方程中，地震动为状态空间方程的输入，结构响应为状态空间方程的输出状态空间方程输入至输出的传递函数关系由缩阶模型的质量参数、刚度参数和阻尼参数确定。

3.根据权利要求1所述的多层框架消能减震设计方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1、根据结构的设计尺寸，确定缩阶模型各自由度的质量参数，确定各自由度刚度和阻尼参数的取值范围；随机挑选Q个模型，其对应的参数组记为z，基于已知的地震波，计算Q个模型的响应；

步骤2.2、为评价各模型的性能，定义评价函数为

其中，rms为均方根算子；为参数组z对应的模型中第i个节点的响应输出；y_i(t)为有限元模型第i个节点的量测响应；N为量测节点总数；

利用评价函数评估步骤2.1的模型，基于微分演化算法，对Q组模型进行优选及重组，得到新的Q个模型；

步骤2.3、为评价新的模型的性能，重复步骤步骤2.2的评估过程，当得到的评估结果不再变化时，得到多层框架结构的等效缩阶模型；

步骤2.4、地震作用下，受控多自由度系统的运动方程表示为：

其中，G是控制力向量F_a的作用位置矩阵，矩阵：

步骤2.5、控制力F_a作用在框架顶层，表示为摩擦型支座(5)的摩擦系数μ，子结构(4)的质量m_d，立方刚度非线性弹簧(6)的刚度k_N、碰撞耗能材料(3)的碰撞系数r_c以及子结构(4)相对运动状态u_N的函数，即F_a(m_d,k_N,r_c,μ,u_N)；

步骤2.6、确定建筑工程抗震设防分类、抗震设防烈度和设计基本地震加速度取值；结合场地条件，确定反应谱；根据反应谱选择天然地震加速度时程和人工地震加速度时程；

步骤2.7、以减振后结构的加速度和位移响应为优化目标J2，基于所选的地震加速度工况，设计摩擦型支座(5)的摩擦系数μ，立方刚度非线性弹簧(6)的刚度k_N和碰撞耗能材料(3)的碰撞系数r_c；

以减振装置的能量耗散效率为优化目标J3，基于所选的地震加速度工况，设计摩擦型支座(5)的摩擦系数μ，立方刚度非线性弹簧(6)的刚度k_N和碰撞耗能材料(3)的碰撞系数r_c；

步骤2.8、步骤2.7从不同角度评价控制效率，得到的控制装置设计参数分别满足优化目标J2和J3；为使所设计的控制装置参数同时满足J2和J3，提出基于帕雷托前置面的多目标优化问题，并利用遗传算法NSGA-II算法优化控制装置参数。