專利名稱：一種建筑結(jié)構(gòu)基于抗震性能的優(yōu)化方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種建筑結(jié)構(gòu)基于抗震性能的優(yōu)化方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國(guó)大部分的高層建筑結(jié)構(gòu)都建設(shè)在地震區(qū)，面臨著嚴(yán)重的地震災(zāi)害威脅。震害分析表明在地震中建筑結(jié)構(gòu)首先會(huì)在結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生損傷，如果受損部位的內(nèi)力和變形等沒(méi)有及時(shí)被相鄰的結(jié)構(gòu)構(gòu)件分擔(dān)，在后續(xù)地震作用下?lián)p傷還會(huì)在此累積，構(gòu)件的抗震性能會(huì)進(jìn)一步退化以至于失效，若該構(gòu)件為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，還可能會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)連續(xù)性的倒塌破壞。目前對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法主要是通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，以達(dá)到結(jié)構(gòu)各層層間位移角相等的目的，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。但是即使保證結(jié)構(gòu)各層層間位移角相等，仍然不能解決在地震中由于結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的損傷，而使結(jié)構(gòu)的整體抗震性能下降的問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種建筑結(jié)構(gòu)基于抗震性能的優(yōu)化方法和系統(tǒng)，能夠避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。為了解決上述問(wèn)題，本申請(qǐng)公開(kāi)了一種建筑結(jié)構(gòu)基于抗震性能的優(yōu)化方法，包括Al，確定結(jié)構(gòu)的整體目標(biāo)抗震性能指標(biāo)以及目標(biāo)構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)；A2，設(shè)計(jì)初始結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)同一層中邊界條件、截面尺寸和材料參數(shù)相同的構(gòu)件分為一類；A3，獲取結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)；A4，檢測(cè)所述整體損傷指數(shù)是否滿足約束條件若是，則執(zhí)行步驟A5 ；若否，則執(zhí)行步驟A2;A5，獲取結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)；A6，檢測(cè)所述結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)是否滿足收斂條件若是，則優(yōu)化完成；若否，則執(zhí)行步驟A7;A7，確定下一優(yōu)化步步長(zhǎng)，更新結(jié)構(gòu)體系，返回步驟A3。優(yōu)選的，所述獲取結(jié)構(gòu)整體損傷指數(shù)包括獲取結(jié)構(gòu)第j層第i類構(gòu)件的重要性系數(shù)和第j層第i類構(gòu)件的損傷指數(shù)；依據(jù)所述重要性系數(shù)和損傷指數(shù)確定結(jié)構(gòu)的第j層損傷指數(shù)；選擇所述第j層損傷指數(shù)中最大的損傷指數(shù)；
將所述最大損傷指數(shù)作為結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)；其中，i = l M，j = l N，M和N為自然數(shù)。優(yōu)選的，所述約束條件為所述整體損傷指數(shù)小于所述整體目標(biāo)抗震性能指標(biāo)。優(yōu)選的，所述收斂條件為所述各類構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)與目標(biāo)構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)的相差率小于10%。優(yōu)選的，所述結(jié)構(gòu)體系包括結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸、材料強(qiáng)度、配筋率、阻尼器系數(shù)、鋼支撐截面積中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)。另一方面，本申請(qǐng)還公開(kāi)了一種建筑結(jié)構(gòu)基于抗震性能的優(yōu)化系統(tǒng)，包括確定單元，用于確定結(jié)構(gòu)的整體目標(biāo)抗震性能指標(biāo)以及目標(biāo)構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)；初始設(shè)計(jì)單元，用于設(shè)計(jì)初始結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)同一層中邊界條件、截面尺寸和材料參數(shù)相同的構(gòu)件分為一類；第一獲取單元，用于獲取結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)；第一檢測(cè)單元，用于檢測(cè)所述整體損傷指數(shù)是否滿足約束條件若是，則進(jìn)入第二獲取單元；若否，則返回初始設(shè)計(jì)單元；第二獲取單元，用于獲取結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)；第二檢測(cè)單元，用于檢測(cè)所述結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)是否滿足收斂條件若是，則優(yōu)化完成；若否，則進(jìn)入更新單元；更新單元，確定下一優(yōu)化步步長(zhǎng)，更新結(jié)構(gòu)體系，返回第一獲取單元。優(yōu)選的，所述第一獲取單元包括第一獲取子單元，用于獲取結(jié)構(gòu)第j層第i類構(gòu)件的重要性系數(shù)和第j層第i類構(gòu)件的損傷指數(shù)；計(jì)算單元，用于依據(jù)所述重要性系數(shù)和損傷指數(shù)確定結(jié)構(gòu)的第j層損傷指數(shù)；選擇單元，用于選擇所述第j層損傷指數(shù)中最大的損傷指數(shù)；第一確定子單元，用于將所述最大損傷指數(shù)作為結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)；其中，i = l M，j = l N，M和N為自然數(shù)。優(yōu)選的，所述約束條件為所述整體損傷指數(shù)小于所述整體目標(biāo)抗震性能指標(biāo)。優(yōu)選的，所述收斂條件為所述各類構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)與目標(biāo)構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)的相差率小于10%。優(yōu)選的，所述結(jié)構(gòu)體系包括結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸、材料強(qiáng)度、配筋率、阻尼器系數(shù)、鋼支撐截面積中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)包括以下優(yōu)點(diǎn)本申請(qǐng)首先根據(jù)規(guī)范及業(yè)主要求確定結(jié)構(gòu)的整體目標(biāo)抗震性能指標(biāo)以及目標(biāo)構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)，并設(shè)計(jì)出初始結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)同一層中邊界條件、截面尺寸和材料參數(shù)相同的構(gòu)件分為一類。然后對(duì)結(jié)構(gòu)中各類構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)結(jié)構(gòu)等抗震性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法檢測(cè)結(jié)構(gòu)是否滿足約束條件和收斂條件，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果更新結(jié)構(gòu)體系。通過(guò)不斷地優(yōu)化更新，使優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在強(qiáng)震下具有相同的抗震性能，去除了結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，從而使結(jié)構(gòu)的抗震性能得到很大的提高，并且，本申請(qǐng)還可以節(jié)省建筑材料、節(jié)約成本。
圖1是本申請(qǐng)一種建筑結(jié)構(gòu)基于抗震性能的優(yōu)化方法實(shí)施例的步驟流程圖；圖2是本申請(qǐng)獲取結(jié)構(gòu)整體損傷指數(shù)方法實(shí)施例的步驟流程圖；圖3是本申請(qǐng)一種建筑結(jié)構(gòu)基于抗震性能的優(yōu)化方法的優(yōu)化過(guò)程示意圖；圖4是利用本申請(qǐng)的一個(gè)具體算例中建筑結(jié)構(gòu)的平面圖；圖5是利用本申請(qǐng)的一個(gè)具體算例中初始結(jié)構(gòu)的整體損傷發(fā)展曲線；圖6是利用本申請(qǐng)的一個(gè)具體算例中中間結(jié)構(gòu)的整體損傷發(fā)展曲線；圖7是利用本申請(qǐng)的一個(gè)具體算例中最優(yōu)結(jié)構(gòu)的整體損傷發(fā)展曲線；圖8是本申請(qǐng)一種建筑結(jié)構(gòu)基于抗震性能的優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本申請(qǐng)第一獲取單元實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本申請(qǐng)的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。參照?qǐng)D1，示出了本申請(qǐng)一種建筑結(jié)構(gòu)基于抗震性能的優(yōu)化方法實(shí)施例的步驟流程圖，所述方法包括S101，確定結(jié)構(gòu)的整體目標(biāo)抗震性能指標(biāo)以及目標(biāo)構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)；首先要根據(jù)規(guī)范及業(yè)主要求確定出建筑結(jié)構(gòu)所要達(dá)到的整體目標(biāo)抗震性能Dth以及目標(biāo)構(gòu)件的抗震性能t，根據(jù)這些指標(biāo)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。S102，設(shè)計(jì)初始結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)同一層中邊界條件、截面尺寸和材料參數(shù)相同的構(gòu)件分為一類；為了減少求解結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的計(jì)算量，首先要將同一層中具有相同邊界條件、截面尺寸和材料參數(shù)的構(gòu)件分成一類。S103，獲取結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)；參照?qǐng)D2，示出了本申請(qǐng)獲取結(jié)構(gòu)整體損傷指數(shù)方法實(shí)施例的步驟流程圖，具體包括如下步驟S201，獲取結(jié)構(gòu)第j層第i類構(gòu)件的重要性系數(shù)和第j層第i類構(gòu)件的損傷指數(shù)；與初始結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)損傷的存在會(huì)使結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)產(chǎn)生變化，并且參數(shù)的變化與結(jié)構(gòu)損傷的位置和損傷程度都有很大關(guān)系，反之，如果給結(jié)構(gòu)各構(gòu)件依次賦予一個(gè)常損傷值，則剩余結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的變化就能定量的反映不同構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的重要程度。假設(shè)第j層第i類構(gòu)件完全失效(移除該構(gòu)件)時(shí)結(jié)構(gòu)剛度降低ΔΚ、結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣不變，通過(guò)特征方程求解移除待評(píng)估構(gòu)件后剩余結(jié)構(gòu)的頻率，將結(jié)構(gòu)第j層第i類構(gòu)件的重要性系數(shù)(Importance Coeff icient，簡(jiǎn)寫為IC)定義為“= Σ華
k Jk式中，為拆除結(jié)構(gòu)第j層第i類構(gòu)件中任一構(gòu)件后，剩余結(jié)構(gòu)第k階頻率增量，fk為完整結(jié)構(gòu)第k階頻率。分析時(shí)，應(yīng)保證所取結(jié)構(gòu)頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)質(zhì)量之和不小于結(jié)構(gòu)等效質(zhì)量的90%。結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)(Damage hdex，簡(jiǎn)寫為DI)通過(guò)結(jié)構(gòu)損傷準(zhǔn)則定義，對(duì)于采用纖維梁?jiǎn)卧蛽p傷本構(gòu)模型模擬的鋼結(jié)構(gòu)模型，梁?jiǎn)卧膿p傷指數(shù)取各纖維損傷指數(shù)以纖維截面面積為權(quán)重系數(shù)的加權(quán)平均值，結(jié)構(gòu)第j層第i類構(gòu)件的損傷指數(shù)定義為dy. = max{dy}式中，《為構(gòu)件第e個(gè)單元的損傷指數(shù)。S202,依據(jù)所述重要性系數(shù)和損傷指數(shù)確定結(jié)構(gòu)第j層損傷指數(shù)；所述結(jié)構(gòu)第j層損傷指數(shù)定義為
權(quán)利要求
1.一種建筑結(jié)構(gòu)基于抗震性能的優(yōu)化方法，其特征在于，包括Al，確定結(jié)構(gòu)的整體目標(biāo)抗震性能指標(biāo)以及目標(biāo)構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)；A2，設(shè)計(jì)初始結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)同一層中邊界條件、截面尺寸和材料參數(shù)相同的構(gòu)件分為一類；A3，獲取結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)；A4，檢測(cè)所述整體損傷指數(shù)是否滿足約束條件若是，則執(zhí)行步驟A5;若否，則執(zhí)行步驟A2;A5，獲取結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)；A6，檢測(cè)所述結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)是否滿足收斂條件若是，則優(yōu)化完成；若否，則執(zhí)行步驟A7;A7，確定下一優(yōu)化步步長(zhǎng)，更新結(jié)構(gòu)體系，返回步驟A3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述獲取結(jié)構(gòu)整體損傷指數(shù)包括 獲取結(jié)構(gòu)第j層第i類構(gòu)件的重要性系數(shù)和第j層第i類構(gòu)件的損傷指數(shù)； 依據(jù)所述重要性系數(shù)和損傷指數(shù)確定結(jié)構(gòu)的第j層損傷指數(shù)；選擇所述第j層損傷指數(shù)中最大的損傷指數(shù)； 將所述最大損傷指數(shù)作為結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)； 其中，i = 1 M，j = 1 N，M和N為自然數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述約束條件為所述整體損傷指數(shù)小于所述整體目標(biāo)抗震性能指標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述收斂條件為所述各類構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)與目標(biāo)構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)的相差率小于10%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)體系包括結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸、材料強(qiáng)度、配筋率、阻尼器系數(shù)、鋼支撐截面積中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)。
6.一種建筑結(jié)構(gòu)基于抗震性能的優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，包括確定單元，用于確定結(jié)構(gòu)的整體目標(biāo)抗震性能指標(biāo)以及目標(biāo)構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)； 初始設(shè)計(jì)單元，用于設(shè)計(jì)初始結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)同一層中邊界條件、截面尺寸和材料參數(shù)相同的構(gòu)件分為一類；第一獲取單元，用于獲取結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)； 第一檢測(cè)單元，用于檢測(cè)所述整體損傷指數(shù)是否滿足約束條件 若是，則進(jìn)入第二獲取單元； 若否，則返回初始設(shè)計(jì)單元；第二獲取單元，用于獲取結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)； 第二檢測(cè)單元，用于檢測(cè)所述結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)是否滿足收斂條件 若是，則優(yōu)化完成； 若否，則進(jìn)入更新單元；更新單元，確定下一優(yōu)化步步長(zhǎng)，更新結(jié)構(gòu)體系，返回第一獲取單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一獲取單元包括第一獲取子單元，用于獲取結(jié)構(gòu)第j層第i類構(gòu)件的重要性系數(shù)和第j層第i類構(gòu)件的損傷指數(shù)；計(jì)算單元，用于依據(jù)所述重要性系數(shù)和損傷指數(shù)確定結(jié)構(gòu)的第j層損傷指數(shù)； 選擇單元，用于選擇所述第j層損傷指數(shù)中最大的損傷指數(shù)； 第一確定子單元，用于將所述最大損傷指數(shù)作為結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)； 其中，i = 1 M，j = 1 N，M和N為自然數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述約束條件為所述整體損傷指數(shù)小于所述整體目標(biāo)抗震性能指標(biāo)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述收斂條件為所述各類構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)與目標(biāo)構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)的相差率小于10%。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)體系包括結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸、材料強(qiáng)度、配筋率、阻尼器系數(shù)、鋼支撐截面積中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)。
全文摘要
本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N建筑結(jié)構(gòu)基于抗震性能的優(yōu)化方法和系統(tǒng)，所述方法包括A1，確定結(jié)構(gòu)的整體目標(biāo)抗震性能指標(biāo)以及目標(biāo)構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)；A2，設(shè)計(jì)初始結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)同一層中邊界條件、截面尺寸和材料參數(shù)相同的構(gòu)件分為一類；A3，獲取結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)；A4，檢測(cè)所述整體損傷指數(shù)是否滿足約束條件若是，則執(zhí)行步驟A5；若否，則執(zhí)行步驟A2；A5，獲取結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)；A6，檢測(cè)所述結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)是否滿足收斂條件若是，則優(yōu)化完成；若否，則執(zhí)行步驟A7；A7，確定下一優(yōu)化步步長(zhǎng)，更新結(jié)構(gòu)體系，返回步驟A3。
文檔編號(hào)E04B1/98GK102493569SQ20111039397
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者呂楊, 徐龍河, 李忠獻(xiàn) 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)