带新型复合耗能连梁的剪力墙结构抗震性能及多目标优化设计研究.pdfVIP

摘要

摘要

钢筋混凝土（RC）剪力墙被广泛用作高层建筑抵抗地震荷载的主要抗侧力体系，

相邻墙肢常采用连梁连接以提高结构的强度和刚度。RC连梁往往延性较差，震后修

复困难。近年来，可更换钢连梁将损伤集中于连梁中可更换的耗能部件，以实现震后

功能的恢复，因而受到国际地震工程届的普遍关注。但现有可更换钢连梁的消能梁段

一般采用端板螺栓连接的工字型钢梁，震后修复时整个消能梁段需全部替换，增加了

修复时间和成本。此外，现有可更换钢连梁并不能有效控制结构的楼层加速度。在以

往发生的地震中，由于非结构性破坏或关键设备故障导致的业务中断、经济损失、人

员伤亡等事故甚至远远超过了结构破坏本身造成的后果。本文提出了一种由屈曲约

束耗能杆和粘滞阻尼器组成的新型连梁，可显著降低剪力墙结构的层间位移角和楼

层加速度响应，震后修复时只需更换损伤的耗能杆或粘滞阻尼器，连梁剩余部件保持

弹性，使结构震后功能快速恢复。在对结构进行优化设计时，涉及大量的迭代及参数

演化，传统的思路和方法难以确保优化的可行性及高效性。

本文提出了一种基于多目标粒子群优化（MOPSO）和机器学习（ML）技术的混

合智能优化框架，所开发的框架利用机器学习技术快速预测混合连梁结构的抗震性

能，并通过多目标粒子群优化获得预期的设计方案。本文的具体研究内容及主要结论

如下：

（1）本文首先提出了新型复合连梁的概念并建立了连梁的设计方法；其次设计

了一栋12层框架剪力墙结构，基于OpenSees建立了带新型连梁的剪力墙结构非线

性数值模型，并与传统RC连梁和钢连梁进行对比。最后进行非线性时程分析

（NLTHA）来评估新型连梁剪力墙结构的抗震性能。结果表明，新型连梁剪力墙结

构在地震作用下，相比于RC连梁与钢连梁结构，其楼层加速度和层间位移角均得到

降低。此外,新型连梁的残余消能梁段转角较钢连梁减少了32%，使其在震后更容易

更换，证明新型连梁的应用有利于提高结构的震后可恢复性。

（2）以结构最大层间位移角和最大楼层加速度作为输出参数，选取45个连梁

和剪力墙的参数化特性作为输入参数，开发ML预测模型。在OpenSees中建立了540

个新型连梁剪力墙结构的数值模型，进行非线性时程分析后得到样本数据库。随后，

利用生成的样本数据库建立机器学习预测模型，选取不同机器学习算法并评估超参

数调优后的ML模型的预测精度。结果表明，使用ML模型来预测结构的地震响应，

取代大量的非线性时程分析，可以显著降低优化所需的计算成本。同时，ML模型的

预测精度较为理想，最佳ML模型的决定系数分别为84%和89%。

（3）选取结构建造成本、层间位移角及楼层加速度作为多目标粒子群优化算法

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河北科技大学硕士学位论文

的目标函数，根据实际需要对其施加适当的变量约束，通过迭代寻优获得Pareto解

集。最后提出了一个公式来量化多目标优化的结果，帮助设计者做出有效的决策，找

到相对最优的解决方案。结果表明，与优化初始阶段相比，优化后结构在建造成本接

近的情况下，其抗震性能得到显著改善，楼层加速度和层间位移角分别降低11.5%和

38.7%。在实际应用中，该方法可为快速、准确地实现结构的多目标优化提供指导。

关键词复合连梁；粘滞阻尼器；屈曲约束耗能杆；联肢剪力墙；多目标优化；机器

学习

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Abstract

Abstract

Reinforcedconcrete(RC)shearwallsarewidelyusedasthemainlateralforce-

resistingsystemofhigh-risebuildingstoresistearthquakeloads.Adjacentwalllimbsare

oftenconne