一种建筑结构基于抗震性能的优化方法和系统.pdf

1、10申请公布号CN102493569A43申请公布日20120613CN102493569ACN102493569A21申请号201110393973222申请日20111201E04B1/9820060171申请人北京交通大学地址100044北京市海淀区北京市海淀区西直门外上园村3号72发明人徐龙河吕杨李忠献74专利代理机构北京润泽恒知识产权代理有限公司11319代理人苏培华54发明名称一种建筑结构基于抗震性能的优化方法和系统57摘要本申请提供了一种建筑结构基于抗震性能的优化方法和系统，所述方法包括A1，确定结构的整体目标抗震性能指标以及目标构件的抗震性能指标；A2，设计初始结构，将结构同一

2、层中边界条件、截面尺寸和材料参数相同的构件分为一类；A3，获取结构的整体损伤指数；A4，检测所述整体损伤指数是否满足约束条件若是，则执行步骤A5；若否，则执行步骤A2；A5，获取结构各类构件的抗震性能指标；A6，检测所述结构各类构件的抗震性能指标是否满足收敛条件若是，则优化完成；若否，则执行步骤A7；A7，确定下一优化步步长，更新结构体系，返回步骤A3。51INTCL权利要求书2页说明书8页附图5页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书8页附图5页1/2页21一种建筑结构基于抗震性能的优化方法，其特征在于，包括A1，确定结构的整体目标抗震性能指标以及目标构件的抗震

3、性能指标；A2，设计初始结构，将结构同一层中边界条件、截面尺寸和材料参数相同的构件分为一类；A3，获取结构的整体损伤指数；A4，检测所述整体损伤指数是否满足约束条件若是，则执行步骤A5；若否，则执行步骤A2；A5，获取结构各类构件的抗震性能指标；A6，检测所述结构各类构件的抗震性能指标是否满足收敛条件若是，则优化完成；若否，则执行步骤A7；A7，确定下一优化步步长，更新结构体系，返回步骤A3。2根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取结构整体损伤指数包括获取结构第J层第I类构件的重要性系数和第J层第I类构件的损伤指数；依据所述重要性系数和损伤指数确定结构的第J层损伤指数；选择所述第J层损

4、伤指数中最大的损伤指数；将所述最大损伤指数作为结构的整体损伤指数；其中，I1M，J1N，M和N为自然数。3根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述约束条件为所述整体损伤指数小于所述整体目标抗震性能指标。4根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述收敛条件为所述各类构件的抗震性能指标与目标构件的抗震性能指标的相差率小于10。5根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结构体系包括结构的构件尺寸、材料强度、配筋率、阻尼器系数、钢支撑截面积中的一项或几项。6一种建筑结构基于抗震性能的优化系统，其特征在于，包括确定单元，用于确定结构的整体目标抗震性能指标以及目标构件的抗震性能指标；初始设计单元，用于

5、设计初始结构，将结构同一层中边界条件、截面尺寸和材料参数相同的构件分为一类；第一获取单元，用于获取结构的整体损伤指数；第一检测单元，用于检测所述整体损伤指数是否满足约束条件若是，则进入第二获取单元；若否，则返回初始设计单元；第二获取单元，用于获取结构各类构件的抗震性能指标；第二检测单元，用于检测所述结构各类构件的抗震性能指标是否满足收敛条件若是，则优化完成；若否，则进入更新单元；更新单元，确定下一优化步步长，更新结构体系，返回第一获取单元。7根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一获取单元包括权利要求书CN102493569A2/2页3第一获取子单元，用于获取结构第J层第I类构件的重要性

6、系数和第J层第I类构件的损伤指数；计算单元，用于依据所述重要性系数和损伤指数确定结构的第J层损伤指数；选择单元，用于选择所述第J层损伤指数中最大的损伤指数；第一确定子单元，用于将所述最大损伤指数作为结构的整体损伤指数；其中，I1M，J1N，M和N为自然数。8根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述约束条件为所述整体损伤指数小于所述整体目标抗震性能指标。9根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述收敛条件为所述各类构件的抗震性能指标与目标构件的抗震性能指标的相差率小于10。10根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述结构体系包括结构的构件尺寸、材料强度、配筋率、阻尼器系数、钢支撑截面积中的一

7、项或几项。权利要求书CN102493569A1/8页4一种建筑结构基于抗震性能的优化方法和系统技术领域0001本申请涉及建筑结构技术领域，特别是涉及一种建筑结构基于抗震性能的优化方法和系统。背景技术0002我国大部分的高层建筑结构都建设在地震区，面临着严重的地震灾害威胁。震害分析表明在地震中建筑结构首先会在结构的薄弱环节产生损伤，如果受损部位的内力和变形等没有及时被相邻的结构构件分担，在后续地震作用下损伤还会在此累积，构件的抗震性能会进一步退化以至于失效，若该构件为结构的关键构件，还可能会引发结构连续性的倒塌破坏。0003目前对建筑结构的优化方法主要是通过优化设计结构各构件的强度和刚度，以达到

8、结构各层层间位移角相等的目的，从而提高结构的抗震性能。但是即使保证结构各层层间位移角相等，仍然不能解决在地震中由于结构薄弱环节的损伤，而使结构的整体抗震性能下降的问题。发明内容0004本申请所要解决的技术问题是提供一种建筑结构基于抗震性能的优化方法和系统，能够避免结构产生薄弱环节，提高结构的整体抗震性能。0005为了解决上述问题，本申请公开了一种建筑结构基于抗震性能的优化方法，包括0006A1，确定结构的整体目标抗震性能指标以及目标构件的抗震性能指标；0007A2，设计初始结构，将结构同一层中边界条件、截面尺寸和材料参数相同的构件分为一类；0008A3，获取结构的整体损伤指数；0009A4，检

9、测所述整体损伤指数是否满足约束条件0010若是，则执行步骤A5；0011若否，则执行步骤A2；0012A5，获取结构各类构件的抗震性能指标；0013A6，检测所述结构各类构件的抗震性能指标是否满足收敛条件0014若是，则优化完成；0015若否，则执行步骤A7；0016A7，确定下一优化步步长，更新结构体系，返回步骤A3。0017优选的，所述获取结构整体损伤指数包括0018获取结构第J层第I类构件的重要性系数和第J层第I类构件的损伤指数；0019依据所述重要性系数和损伤指数确定结构的第J层损伤指数；0020选择所述第J层损伤指数中最大的损伤指数；说明书CN102493569A2/8页50021将

10、所述最大损伤指数作为结构的整体损伤指数；0022其中，I1M，J1N，M和N为自然数。0023优选的，所述约束条件为所述整体损伤指数小于所述整体目标抗震性能指标。0024优选的，所述收敛条件为所述各类构件的抗震性能指标与目标构件的抗震性能指标的相差率小于10。0025优选的，所述结构体系包括结构的构件尺寸、材料强度、配筋率、阻尼器系数、钢支撑截面积中的一项或几项。0026另一方面，本申请还公开了一种建筑结构基于抗震性能的优化系统，包括0027确定单元，用于确定结构的整体目标抗震性能指标以及目标构件的抗震性能指标；0028初始设计单元，用于设计初始结构，将结构同一层中边界条件、截面尺寸和材料参数

11、相同的构件分为一类；0029第一获取单元，用于获取结构的整体损伤指数；0030第一检测单元，用于检测所述整体损伤指数是否满足约束条件0031若是，则进入第二获取单元；0032若否，则返回初始设计单元；0033第二获取单元，用于获取结构各类构件的抗震性能指标；0034第二检测单元，用于检测所述结构各类构件的抗震性能指标是否满足收敛条件0035若是，则优化完成；0036若否，则进入更新单元；0037更新单元，确定下一优化步步长，更新结构体系，返回第一获取单元。0038优选的，所述第一获取单元包括0039第一获取子单元，用于获取结构第J层第I类构件的重要性系数和第J层第I类构件的损伤指数；0040计

12、算单元，用于依据所述重要性系数和损伤指数确定结构的第J层损伤指数；0041选择单元，用于选择所述第J层损伤指数中最大的损伤指数；0042第一确定子单元，用于将所述最大损伤指数作为结构的整体损伤指数；0043其中，I1M，J1N，M和N为自然数。0044优选的，所述约束条件为所述整体损伤指数小于所述整体目标抗震性能指标。0045优选的，所述收敛条件为所述各类构件的抗震性能指标与目标构件的抗震性能指标的相差率小于10。0046优选的，所述结构体系包括结构的构件尺寸、材料强度、配筋率、阻尼器系数、钢支撑截面积中的一项或几项。0047与现有技术相比，本申请包括以下优点0048本申请首先根据规范及业主要

13、求确定结构的整体目标抗震性能指标以及目标构件的抗震性能指标，并设计出初始结构，将结构同一层中边界条件、截面尺寸和材料参数相同的构件分为一类。然后对结构中各类构件进行检测，根据结构等抗震性能的优化设计方法检测结构是否满足约束条件和收敛条件，依据检测结果更新结构体系。通过不断地优化更新，使优化后的结构各构件在强震下具有相同的抗震性能，去除了结构的薄弱环节，从而说明书CN102493569A3/8页6使结构的抗震性能得到很大的提高，并且，本申请还可以节省建筑材料、节约成本。附图说明0049图1是本申请一种建筑结构基于抗震性能的优化方法实施例的步骤流程图；0050图2是本申请获取结构整体损伤指数方法实

14、施例的步骤流程图；0051图3是本申请一种建筑结构基于抗震性能的优化方法的优化过程示意图；0052图4是利用本申请的一个具体算例中建筑结构的平面图；0053图5是利用本申请的一个具体算例中初始结构的整体损伤发展曲线；0054图6是利用本申请的一个具体算例中中间结构的整体损伤发展曲线；0055图7是利用本申请的一个具体算例中最优结构的整体损伤发展曲线；0056图8是本申请一种建筑结构基于抗震性能的优化系统实施例的结构示意图；0057图9是本申请第一获取单元实施例的结构示意图。具体实施方式0058为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明

15、。0059参照图1，示出了本申请一种建筑结构基于抗震性能的优化方法实施例的步骤流程图，所述方法包括0060S101，确定结构的整体目标抗震性能指标以及目标构件的抗震性能指标；0061首先要根据规范及业主要求确定出建筑结构所要达到的整体目标抗震性能DTH以及目标构件的抗震性能PIJ，T，根据这些指标对建筑结构进行优化设计。0062S102，设计初始结构，将结构同一层中边界条件、截面尺寸和材料参数相同的构件分为一类；0063为了减少求解结构模态参数的计算量，首先要将同一层中具有相同边界条件、截面尺寸和材料参数的构件分成一类。0064S103，获取结构的整体损伤指数；0065参照图2，示出了本申请获

16、取结构整体损伤指数方法实施例的步骤流程图，具体包括如下步骤0066S201，获取结构第J层第I类构件的重要性系数和第J层第I类构件的损伤指数；0067与初始结构相比，结构损伤的存在会使结构模态参数产生变化，并且参数的变化与结构损伤的位置和损伤程度都有很大关系，反之，如果给结构各构件依次赋予一个常损伤值，则剩余结构模态参数的变化就能定量的反映不同构件对结构整体性能的重要程度。0068假设第J层第I类构件完全失效移除该构件时结构刚度降低K、结构质量矩阵不变，通过特征方程求解移除待评估构件后剩余结构的频率，将结构第J层第I类构件的重要性系数IMPORTANCECOEFFICIENT，简写为IC定义为

17、00690070式中，FIJ为拆除结构第J层第I类构件中任一构件后，剩余结构第K阶频率增量，FK为完整结构第K阶频率。分析时，应保证所取结构频率对应的模态质量之和不小于结说明书CN102493569A4/8页7构等效质量的90。0071结构损伤指数DAMAGEINDEX，简写为DI通过结构损伤准则定义，对于采用纤维梁单元和损伤本构模型模拟的钢结构模型，梁单元的损伤指数取各纤维损伤指数以纤维截面面积为权重系数的加权平均值，结构第J层第I类构件的损伤指数定义为00720073式中，为构件第E个单元的损伤指数。0074S202，依据所述重要性系数和损伤指数确定结构第J层损伤指数；所述结构第J层损伤指

18、数定义为00750076式中，IJ和DIJ即为结构第J层第I类构件的重要性系数和损伤指数。0077S203，选择所述第J层损伤指数中最大的损伤指数；0078S204，将所述最大损伤指数作为结构的整体损伤指数；0079即结构的整体损伤指数定义为0080DGMAXDJ0081其中，I1M，J1N，M和N为自然数。0082S104，检测所述整体损伤指数是否满足约束条件0083若是，则执行步骤S105；0084若否，则执行步骤S102；0085所述约束条件为所述整体损伤指数DG小于所述整体目标抗震性能指标DTH，即满足下式0086DGDTH0087S105，获取结构各类构件的抗震性能指标；0088重要

19、性系数IJ和损伤指数DIJ一般都不能独立地反应结构构件抗震性能的强弱，即重要性系数大的构件地震作用下损伤可能很小，反之重要性系数小的构件地震作用下损伤可能很大，因此，提出如下的构件抗震性能指标SEISMICPERFORMANCEINDEX，简写为SPI00890090式中，PIJ是结构第J层第I类构件的SPI，是结构第J层中各类构件重要性系数的平均值。0091S106，检测所述结构各类构件的抗震性能指标是否满足收敛条件0092若是，则优化完成；0093若否，则执行步骤S107；0094采用上述抗震性能指标，结构优化的目标函数FS定义为0095FSABSPIJ，KPIJ，T/PIJ，T01009

20、6式中，ABS为第K优化步中结构的第J层第I类构件的抗震性能指标PIJ，K与目标构件的抗震性能指标PIJ，T之差求绝对值。说明书CN102493569A5/8页80097即所述收敛条件为所述各类构件的抗震性能指标与目标构件的抗震性能指标的相差率小于10。0098S107，确定下一优化步步长，更新结构体系，返回步骤A3。0099设下一优化步步长为HK1，则结构第K1优化步第J层第I类构件更新为0100HIJ，K1HK1PIJ，K1PIJ，T/PIJ，T0101根据优化方案的不同，进行更新的结构体系即HIJ，K1可以是结构的构件尺寸、材料强度、配筋率、阻尼器系数、钢支撑截面积中的一项或几项。当然也

21、可以是对其他结构体系进行更新，本申请对此并不加以限制。0102参照图3，示出了本申请一种建筑结构基于抗震性能的优化方法的优化过程示意图。为了简化优化过程，本实施例以层为基本单位进行优化，其方法与以构件为基本单位的方法相同。0103在图3A中，实心小球表示未知的初始结构各层的抗震性能指标；采用前述方法计算得到结构IC和DI后，结构的SPI即可确定。图3中以实心球的半径表示结构各层抗震性能指标的相对大小，并且以半径为18的小球作为目标抗震性能指标，检测结构约束条件和收敛条件，更新结构体系图3B；更新后的结构体系如图3C所示，结构各层抗震性能较初始结构逐渐趋于最优结构；经过多次优化后，最优结构如图3

22、E所示，结构各层具有相同的抗震性能。0104下面，通过一个算例来说明本申请一种建筑结构基于抗震性能的优化方法的优化过程。0105该算例中建筑结构采用9层框架结构，结构的平面尺寸为4573M4573M，总高3719M，结构水平两向各5跨，跨度相等为915M。结构框架柱全部采用方钢管柱，钢材等级为Q345钢，所有框架梁采用H型钢，钢材屈服强度为248MPA，梁柱节点为刚性连接。除结构底层层高549M外，结构其余层层高相等为396M。方钢管柱截面尺寸每两层变一次截面，从第一层至第九层截面尺寸分别为50050050、48048047、45045040、40040034和40040030，结构底部两层框

23、架梁截面尺寸为W36160，第三层至第六层为W36135，第七层至第九层分别为W3099、W2784和C2468。0106参照图4，示出了该具体算例中建筑结构的平面图。采用本申请中的建筑结构基于抗震性能的优化设计方法，首先将结构第J层具有相同边界条件、截面尺寸和材料参数的框架柱划分成9类，分别标示为C1J至C9J。由于所分析结构平立面规则，只取结构前6阶模态参数求解各类构件的重要性系数。在LOMAPRIETA、SANFERNANDO和ELCENTRO地震波作用下，计算得到初始结构和各优化步结构各类构件损伤指数的平均值，并组合得到相应构件抗震性能指标。0107采用修正结构各类框架柱截面钢板厚度的

24、方法优化设计结构的抗震性能。以结构层为单位对结构进行优化设计，即假定结构各层具有相同尺寸的框架柱而不区分角柱与中柱之间的差别。设结构第7层为优化的目标抗震性能指标也可以选定其他目标性能指标，并设定结构初始优化步的步长为10MM，第二优化步步长为5MM，经过两次优化后的结构基本满足预设的优化目标，结构优化过程如表1所示表中SPI为放大100倍后的数值。0108优化结束时结构各层柱截面钢板厚度以HJ表示分别为6275、3771、3588、说明书CN102493569A6/8页93394、3392、3128、3400、2498和1534MM，对比初始结构柱截面尺寸可以发现，优化后的结构用钢量得到很大

25、的减小，优化一次和两次后结构的框架柱重量较初始结构分别节约了14和19。从表1还可以看出，所给出的优化方法具有很快的收敛速度，并且结构抗震性能可以通过优化结构各类柱得到进一步提高。0109表101100111参照图5图7，分别示出了该算例中初始结构、中间结构以及最优结构的整体损伤发展曲线。图中，带方块的曲线为ELCENTRO地震动作用下的曲线，带圆点的曲线为LOMA说明书CN102493569A7/8页10PRIETA地震动作用下的曲线，带三角的曲线为SANFERNANDO地震动作用下的曲线。可以看出，结构的整体抗震性能随优化过程逐渐提高，结构的整体损伤指数较初始结构减小。在684GAL的EL

26、CENTRO地震动作用下，初始结构、中间结构和最优结构整体损伤指数分别为00118、00060和00071，LOMAPRIETA地震动作用下为00159、00080和00068，SANFERNANDO地震动作用下为00167、00091和00082。在1368G的LOMAPRIETA和SANFERNANDO地震动作用下，初始结构发生首层侧移整体倾覆破坏，相应强度等级的中间结构和最优结构损伤指数分别为00174和00155，可见优化后的结构整体抗震性能得到很大的提高。0112参照图8，示出了本申请一种建筑结构基于抗震性能的优化系统实施例的结构示意图，该系统具体包括0113确定单元，用于确定结构的

27、整体目标抗震性能指标以及目标构件的抗震性能指标；0114初始设计单元，用于设计初始结构，将结构同一层中边界条件、截面尺寸和材料参数相同的构件分为一类；0115第一获取单元，用于获取结构的整体损伤指数；0116第一检测单元，用于检测所述整体损伤指数是否满足约束条件0117若是，则进入第二获取单元；0118若否，则返回初始设计单元；0119其中，所述约束条件为所述整体损伤指数小于所述整体目标抗震性能指标；0120第二获取单元，用于获取结构各类构件的抗震性能指标；0121第二检测单元，用于检测所述结构各类构件的抗震性能指标是否满足收敛条件0122若是，则优化完成；0123若否，则进入更新单元；012

28、4其中，所述收敛条件为所述各类构件的抗震性能指标与目标构件的抗震性能指标的相差率小于10。；0125更新单元，确定下一优化步步长，更新结构体系，返回第一获取单元；所述结构体系包括结构的构件尺寸、材料强度、配筋率、阻尼器系数、钢支撑截面积中的一项或几项。0126参照图9，示出了本申请第一获取单元实施例的结构示意图，包括0127第一获取子单元，用于获取结构第J层第I类构件的重要性系数和第J层第I类构件的损伤指数；0128计算单元，用于依据所述重要性系数和损伤指数确定结构的第J层损伤指数；0129选择单元，用于选择所述第J层损伤指数中最大的损伤指数；0130第一确定子单元，用于将所述最大损伤指数作为

29、结构的整体损伤指数；0131其中，I1M，J1N，M和N为自然数。0132对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。0133以上对本申请所提供的一种建筑结构基于抗震性能的优化方法和系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据说明书CN102493569A108/8页11本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。说明书CN102493569A111/5页12图1说明书附图CN102493569A122/5页13图2图3说明书附图CN102493569A133/5页14图4图5说明书附图CN102493569A144/5页15图6图7说明书附图CN102493569A155/5页16图8图9说明书附图CN102493569A16