一种建筑结构基于抗震性能的优化方法和系统 技术领域 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 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。
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
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。
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：
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。
优选的， 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， i ＝ 1 ～ M， j ＝ 1 ～ N， M 和 N 为自然数。
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。
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％。
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。
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 ：
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。
优选的， 所述第一获取单元包括 ：
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 ；
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， i ＝ 1 ～ M， j ＝ 1 ～ N， M 和 N 为自然数。
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。
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％。
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。
与现有技术相比， 本申请包括以下优点 ：
本申请首先根据规范及业主要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
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
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 ； 图 2 是本申请获取结构整体损伤指数方法实施例的步骤流程图 ； 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 ； 图 4 是利用本申请的一个具体算例中建筑结构的平面图 ； 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 ； 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 ； 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 ； 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 ； 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
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。
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 ：
S101， 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 ；
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， 根据这些指标对建筑结构进行优化设计。 t，
S102， 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 ；
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。
S103， 获取结构的整体损伤指数 ；
参照图 2， 示出了本申请获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 ：
S201， 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 ；
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。
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 ΔK、 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 (Importance Coefficient， 简写为 IC) 定义为 ：
式中， Δfij 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
构等效质量的 90％。
结构损伤指数 (Damage Index， 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 ：
式中， 为构件第 e 个单元的损伤指数。S202， 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 损伤指数定义为 ：
式中， ζij 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。
S203， 选择所述第 j 层损伤指数中最大的损伤指数 ；
S204， 将所述最大损伤指数作为结构的整体损伤指数 ；
即结构的整体损伤指数定义为 ：
Dg ＝ max{Dj}
其中， i ＝ 1 ～ M， j ＝ 1 ～ N， M 和 N 为自然数。
S104， 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 S105 ；
若否， 则执行步骤 S102 ；
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 ：
Dg ＜ Dth
S105， 获取结构各类构件的抗震性能指标 ；
重要性系数 ζij 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 (Seismic Performance Index， 简写为 SPI) ：
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。
S106， 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 S107 ；
采用上述抗震性能指标， 结构优化的目标函数 F(s) 定义为 ：
F(s) ＝ ABS(Pij， k-Pij， t)/Pij， t ＜ 0.1
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。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％。
S107， 确定下一优化步步长， 更新结构体系， 返回步骤 A3。
设下一优化步步长为 hk+1， 则结构第 k+1 优化步第 j 层第 i 类构件更新为 ：
hij， k+1 ＝ hk+1(pij， k+1-pij， t)/pij， t
根据优化方案的不同， 进行更新的结构体系 ( 即 hij，k+1) 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。
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。
在图 3(a) 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 3(b)) ； 更新后的结构体系如图 3(c) 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(e) 所示， 结构各层 具有相同的抗震性能。
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。 该算例中建筑结构采用 9 层框架结构， 结构的平面尺寸为 45.73m×45.73m， 总高 37.19m， 结构水平两向各 5 跨， 跨度相等为 9.15m。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 5.49m 外， 结构其余层层高相等为 3.96m。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 500×500×50、 480×480×47、 450×450×40、 400×400×34 和 400×400×30， 结构底部两层框架梁截面尺寸为 W36×160， 第三层至第六 层为 W36×135， 第七层至第九层分别为 W30×99、 W27×84 和 C24×68。
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 Loma Prieta、 San Fernando 和 El-Centro 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。
采用修正结构各类框架柱截面钢板厚度的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 )。
优化结束时结构各层柱截面钢板厚度 ( 以 Hj 表示 ) 分别为 62.75、 37.71、 35.88、
33.94、 33.92、 31.28、 34.00、 24.98 和 15.34mm， 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。
表1
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 El Centro 地震动作用下的曲线， 带圆点的曲线为 LomaPrieta 地震动作用下的曲线， 带三角的曲线为 San Fernando 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 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 0.0118、 0.0060 和 0.0071， Loma Prieta 地震动作用下为 0.0159、 0.0080 和 0.0068， San Fernando 地震动作用下为 0.0167、 0.0091 和 0.0082。在 1.368g 的 Loma Prieta 和 San Fernando 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 0.0174 和 0.0155， 可见优化后的结构整体抗震性能得到很大 的提高。
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 ：
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 ；
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 ；
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 ；
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％。 ；
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。
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 ：
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 ；
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， i ＝ 1 ～ M， j ＝ 1 ～ N， M 和 N 为自然数。
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。
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。