单层球壳结构强震下倒塌模式的构件截面优化.pdfVIP

第 ２７卷第 ５期 ２０１４年 １０月 振 　动 　工 　程 　学 　报 Journal of Vibration Engineering Vol ．２７ No ．５ Oct ．２０１４ 单层球壳结构强震下倒塌模式的构件截面优化 刘文政１ ，２ ，叶继红１ （１ ．东南大学混凝土与预应力混凝土结构教育部重点实验室 ，江苏 南京 ２１００１８ ； ２ ．山东省建筑科学研究院 ，山东 济南 ２５００３１） 摘要 ：以结构杆件重量最轻为优化目标 ，以杆件截面尺寸为优化变量 ，建立单层球壳结构倒塌模式优化模型 。优化 模型考虑长细比 、挠度 、杆件强度及稳定约束条件 ，保证优化后结构满足规范和规程要求 ，同时将构形度也作为约 束条件 ，保证优化后结构在强震下呈现理想的 、有征兆的强度破坏特征 。针对遗传算法（GA）和模拟退火算法（SA） 各自的优缺点 ，以遗传算法作为主体流程 ，将模拟退火算法的优化机制融入其中 ，建立遗传‐模拟退火算法（GA‐ SA） 。采用 C ＋ ＋ 语言编写 GASA 计算程序 ，与 APDL语言编写的有限元分析命令流相结合 ，得到 GASA‐ANSYS 优化程序 。采用该程序对跨度为 ７０ m的 K６型单层球壳结构进行优化 。通过对优化后结构进行构形易损性分析 和地震动力时程分析 ，表明所提出的优化模型及优化程序能够解决大型单层球壳结构地震作用下倒塌模式的截面 优化问题 。 关键词 ：结构动力学 ；单层球壳 ；截面优化 ；遗传‐模拟退火算法 ；倒塌模式 中图分类号 ：TU３１１ ．３ ；TU３５６ 　 　文献标识码 ：A 　 　文章编号 ：１００４‐４５２３（２０１４）０５‐０６９３‐０９ 引 　言 网壳结构的截面优化设计是指在满足规范和规 程要求的条件下 ，通过优化杆件截面尺寸使结构重 量减轻 ，达到减小用钢量 、降低结构造价的目的 。早 期国内外学者采用传统优化方法对网壳结构进行优 化研究［１ ～ ４］ 。近几年来 ，以遗传算法 、模拟退火算法 为代表的一些智能优化算法在网壳结构优化中的应 用日益广泛［５ ～ １２］ 。遗传算法（GA）是基于达尔文的 生物进化理论和孟德尔的遗传学说 ，通过模拟自然 选择和有性繁殖 ，寻找优化问题的相对最优解［１３］ 。 与传统优化方法相比 ，遗传算法的优越性主要体现 在 ：变量采用编码处理 ；直接以目标函数值作为有哪些信誉好的足球投注网站 信息 ，不受目标函数和约束空间的连续性或可导性 限制 ；隐含的并行性 ；概率转移规则 。模拟退火算法 （SA ）是模拟统计物理学中固体退火过程而建立的 一种随机有哪些信誉好的足球投注网站算法［１４］ 。它是通过 Metropolis 算法 迭代实现目标函数的最优化 。模拟退火算法的优越 性主要体现在 ：概率接受准则 ，能够避免陷入局部最 优 ；通用性和灵活性 ，适用于目标函数难以求导和导 数不存在的优化问题 。然而采用上述两种智能优化 方法对实际结构进行优化时 ，遗传算法存在局部搜 索能力不强和后期收敛速度慢的缺点 ，模拟退火算 法存在计算效率低的缺点 。 单层网壳结构在地震作用下主要存在两种倒塌 破坏模式 ，即动力失稳和强度破坏［１５］ ，其中动力失 稳模式的延性和耗能能力较差 ，破坏具有突然性 ，是 一种非理想的破坏模式 。如果单层网壳结构在未预 料的强震作用下发生此类无征兆破坏 ，就会危及人 民生命安全并造成巨大经济损失 。因此有必要在单 层网壳结构优化设计过程中对其倒塌模式进行控 制 。本文以结构杆件重量最轻为优化目标 ，以杆件 截面尺寸为优化变量 ，考虑长细比 、挠度 、杆件强度 及稳定性为约束条件 ，建立了单层球壳结构倒塌破 坏模式优化模型 。同时基于构形易损性理论 ，将构 形度作为约束条件用于控制结构在强震下的倒塌破 坏特征 。将遗传算法和模拟退火算法相结合 ，基于 混合策略构造出遗传‐模拟退火算法 （GASA ） 。 采用 C ＋ ＋语言编制 GASA 计算程序 ，并与 APDL 语言编写的单层球壳结构 ANSYS 分析命令流相结 合 ，得到 GASA‐ANSYS 优化程序 。 应用 GASA‐ ANSYS优化程序对一个跨度为 ７０ m 的 K６ 型单 层球壳结构进行截面优化 ，并通过优化前后构形易 收稿日期 ：２０１３‐０４‐１１ ；修订日期 ：２０１４‐０２‐２６ 基金项目 ：国家杰出青年科学基金资助项目 ；国家自然科学基金重大研究计划 —集成项目０６‐０４） 损性分析和地震动力时程分析对优化结果进行 验证 。 1 　单层网壳破坏模式优化模型 1 ．1 　目标函数 　 　以结构杆件重量最轻为优化目标 ，即 min W ＝ min （ρ ∑ nm i ＝ １ A i L i ） （１） 式中 　 W 为单层球壳结构的杆件重