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基于NSGA-II算法的BIS-TMDI结构的多目标优化研究

摘要

在地震易发区，基础隔震结构((BaseIsolatedStructure,BIS))是一种有效的被动控制

方案，能够减小或减轻结构受到地震作用的破坏。采用基础隔震措施的建筑，其部分地

震诱发位移需求集中在水平隔震层。在实际工程中，为了满足水平隔震层较大的位移需

求，工程师通常会采用昂贵的柔性连接设计来处理公共管道设施。近年来，为了减小这

种位移需求，许多工程师基于惯容装置开发了一些新的阻尼器。在这些新开发的阻尼器

中，调谐质量阻尼惯容器(TunedMassDampersInerter,TMDI)主要利用了惯容器的质量

的放大原理。先前的研究表明，基础隔震系统与TMDI形成的增强型基础隔震策略能够

有效减小隔震层的位移需求，但代价是TMDI系统对主体建筑结构施加的控制力增加,

并且巨大的控制力对惯容装置本身要求较高。然而，当前的TMDI调谐方法通常没有考

虑到这些潜在的巨大力量。基于此，本文开发了一种考虑多目标的抗震设计方法，以在

抑制建筑物由地震引起的振动和避免过度的控制力这两个竞争性的目标之间的折衷。

本文的研究内容主要有：

（1）针对配有BIS-TMDI系统的单自由度系统，确认了两种具有竞争性的优化目

标并建立了多目标优化问题。通过NSGA-II非支配遗传算法对建立的多目标优化问题进

行求解，并与只考虑抑制建筑物由地震引起的振动所得结果进行对比。

（2）针对某工程项目在OpenSees中完成了有限元模型的建立。同时对OpenSees中

惯容单元的C++源码进行修改，提高了计算效率。最后在OpenSees中完成了BIS-TMDI

结构的建模与结果验证。

（3）针对某工程项目进行多目标优化优化计算时间过长问题，考虑到代理模型的

优势，建立了与工程项目对应的代理模型，提高了其计算效率，并保证了计算精度。

（4）应用构建的代理模型和多目标优化模型及其算法，开展了某项目的多目标优

化研究，同时利用本文所提出的多目标优化方法，研究了隔震结构在地震中的反应。

关键词：调谐质量阻尼惯容（TMDI）；基础隔震；NSGA-II；多目标优化；代理模型

基于NSGA-II算法的BIS-TMDI结构的多目标优化研究

ABSTRACT

Inareaspronetoearthquakes,BaseIsolatedStructure(BIS)representsaneffectivepassive

controlsolutionforreducingormitigatingdamagetostructuressubjectedtoseismicactions.

Someoftheseismicallyinduceddisplacementdemandsofbuildingswithbaseisolation

measuresareconcentratedinthehorizontalseismicisolationlayer.Inpractice,inordertomeet

thelargedisplacementdemandsatthehorizontalisolationlevel,engineersusuallyemploy

expensiveflexibleconnectiondesignsforpublicplumbingfacilities.Inrecentyears,numerous

engineershavedevelopednewdampersbasedoninertiadeviceswiththeobjectiveofreducing

thedisplacementdemand.Amon