基于結(jié)構(gòu)可靠性的被動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化理論和應(yīng)用方法研究.pdf

1、在強(qiáng)風(fēng)、地震以及海浪等自然災(zāi)害的作用下，結(jié)構(gòu)的安全性己成為人們越來越關(guān)注的問題。增加結(jié)構(gòu)剛度、承載力或材料強(qiáng)度等傳統(tǒng)方法已經(jīng)很難滿足人們越來越高的要求。困此，結(jié)構(gòu)抗災(zāi)控制理論與工程應(yīng)用方法作為一種新的提高結(jié)構(gòu)安全性、適用性和舒適性的途徑，其研究與應(yīng)用已日趨廣泛。
　　 眾所周知，在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位合理安裝一定數(shù)量的耗能減震裝置或被動(dòng)阻尼控制系統(tǒng)將會(huì)減小結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的地震響應(yīng)。但結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抗震控制效果對耗能減震裝置或者被動(dòng)阻尼控制系統(tǒng)的

2、物理參數(shù)、設(shè)置數(shù)量以及空間分布等非常敏感，在沒有較好的分析理論和設(shè)計(jì)方法時(shí)，最簡便的辦法就是在結(jié)構(gòu)的所有層均勻布置耗能減震裝置或被動(dòng)阻尼控制系統(tǒng)。但這種布置并不能取得最佳減震效果，而且工程量大，造價(jià)高，影響了工程應(yīng)用。目前對此方面的研究都是基于確定性目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，雖然在一定程度上找到了鞍優(yōu)布置，取得了較好效果，但并非最優(yōu)。
　　 另一方面，由于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜性、優(yōu)化方法的局限性以及地震動(dòng)的隨機(jī)性等，使得結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化控制研究成為一

3、個(gè)多學(xué)科交叉的課題。困此，深入研究被動(dòng)阻尼控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)中的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　 本文首先分析了結(jié)構(gòu)控制的各種理論與優(yōu)化算法，接著對框架結(jié)構(gòu)采用粘滯阻尼系統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，解決了基于結(jié)構(gòu)體系可靠度的粘滯阻尼系統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化問題。主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　 (1)對遺傳算法的編碼規(guī)則、種群設(shè)定、適應(yīng)度函數(shù)的選擇以及遺傳算子的設(shè)計(jì)和收斂準(zhǔn)則等進(jìn)行了探討，特別是對交叉算子和變異算子進(jìn)

4、行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，自主編制形成了適合于設(shè)置粘滯阻尼系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的MATLAB工具箱函數(shù)。分析表明，文中所提改進(jìn)后的遺傳算法，能較快地尋找到最優(yōu)個(gè)體，并不會(huì)導(dǎo)致早熟現(xiàn)象的發(fā)生。
　　 (2)采用文中建議改進(jìn)的遺傳算法，以確定性指標(biāo)，如層間位移等作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制的目標(biāo)函數(shù)，確定了優(yōu)化算法的關(guān)鍵參數(shù)，利用MATLAB編程軟件，編制了地震作用下粘滯阻尼系統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化程序(FSVDO)；分別在II類場地和Ⅲ類場地條件下．選用實(shí)際記錄地震波和人

5、工地震波，采用自編的FSVDO程序，進(jìn)行了受控結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)浞治觯⑵浣Y(jié)果與窮舉法的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了比較，兩者吻合較好，證實(shí)文中所發(fā)展的算法是可靠有效的，可用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析和設(shè)計(jì)。
　　 (3)地震動(dòng)的隨機(jī)性將導(dǎo)致即使在同樣場地條件下，輸入的地震波不同，受控結(jié)構(gòu)的粘滯阻尼系統(tǒng)的最優(yōu)拓?fù)湫问揭部赡苡兴煌?，這就是所謂的“樣本沖突”。文中最優(yōu)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果驗(yàn)證了該現(xiàn)象，這說明基于某個(gè)確定性指標(biāo)進(jìn)行粘滯阻尼系統(tǒng)位置的拓?fù)鋬?yōu)化存在一

6、定缺陷，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化分析時(shí)，需要考慮地震動(dòng)隨機(jī)性的影響。
　　 (4)采用概率密度演化方法和文中發(fā)展的優(yōu)化算法，提出了以結(jié)構(gòu)體系可靠度為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，粘滯阻尼系統(tǒng)空間拓?fù)鋬?yōu)化的計(jì)算原理，編制了基于結(jié)構(gòu)體系可靠度的粘滯阻尼系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化分析程序(SRB7FOVD)，實(shí)現(xiàn)了基于結(jié)構(gòu)體系可靠度的粘滯阻尼受控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的最優(yōu)拓?fù)鋬?yōu)化，解決了上述的“樣本沖突”問題。
　　 為了比較，分別計(jì)算了無控結(jié)構(gòu)、均布粘滯阻尼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以

7、及最優(yōu)布置粘滯阻尼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的體系可靠度，結(jié)果表明，利用文中發(fā)展的優(yōu)化算法進(jìn)行粘滯阻尼系統(tǒng)的優(yōu)化布置，不僅可明顯提高結(jié)構(gòu)體系的抗震可靠度，而且其值與傳統(tǒng)的各層均布粘滯阻尼系統(tǒng)的體系抗震可靠度非常接近，然而設(shè)置的粘滯阻尼系統(tǒng)數(shù)量僅為傳統(tǒng)方法的50％左右，反映出較好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。
　　 (5)在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系抗震可靠度的迭代優(yōu)化計(jì)算中，考慮到MATLAB計(jì)算效率不高，文中的計(jì)算核心程序采用C++語言編程，在MATLAB環(huán)境中調(diào)用C+

8、+程序計(jì)算結(jié)構(gòu)的體系抗震可靠度，實(shí)現(xiàn)了文中的拓?fù)鋬?yōu)化程序。結(jié)果表明，文中所提出的方法操作簡單，計(jì)算效率高，具有較好的應(yīng)用前景。
　　 (6)應(yīng)用概率密度演化方法，在非平穩(wěn)隨機(jī)地震動(dòng)激勵(lì)下．分別獲得了無控結(jié)構(gòu)、均布粘滯阻尼系統(tǒng)的受控結(jié)構(gòu)以及基于結(jié)構(gòu)體系抗震可靠度的優(yōu)化布置粘滯阻尼系統(tǒng)的受控結(jié)構(gòu)的概率密度曲線隨時(shí)間演化的全過程，進(jìn)行了相應(yīng)的概率密度演化分析，計(jì)算了各層的動(dòng)力可靠度。分析結(jié)果表明，采J用文中基于結(jié)構(gòu)體系可靠度的粘滯阻尼