一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法

本发明涉及一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，属于桥梁工程防灾减灾。

背景技术：

1、斜拉桥因其跨越能力强、受力性能合理、造型美观多样等特点，通常是交通基础设施中的标志性工程。相对于规则桥梁，斜拉桥建设成本高，震后修复难度大，一旦遭受地震破坏，经济损失巨大。半漂浮体系斜拉桥在抗震设计中通常将阻尼器置于塔梁连接之间，满足斜拉桥静力稳定的同时，有效减小了地震响应。附加阻尼元件的减震控制有效性已经得到了验证，但是缺少相关设计优化方法。现有斜拉桥附加阻尼器设计优化方法都基于线弹性结构体系，当桥梁结构中的部分构件进入塑性状态时，线弹性基本假设(包括简化的替代模型及阻尼比等)并不准确。此外，之前研究中主要考虑纵桥向或横桥向的某一方向的减震分析与设计，有一定方向局限性。

2、基于性能的抗震设计方法提供了将结构性能与设计参数联系起来的框架，可以考虑结构非线性与地震动不确定性。在过去的近三十年，建筑物与桥梁结构基于性能的抗震设计方法已经有了很大的发展。但是，其中优化部分计算效率较低，很难应用于类似于斜拉桥等大型复杂非线性结构。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，用以确定斜拉桥中阻尼器的参数，能够考虑结构的非线性及多维地震动机理。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，包括如下步骤：

4、s1:根据桥梁结构建立非线性动力数值分析模型，求解若干条地震动输入下桥梁结构地震响应，拟合得到不同损伤状态下基于工程需求参数的易损性曲线；

5、s2:根据基于工程需求参数的易损性曲线、损伤比和构件修复费用，建立结构层面的修复费用方程；

6、s3:根据桥梁场地特性确定地震动输入、非线性动力数值分析模型和结构层面的修复费用方程，基于遗传算法优化得到阻尼器优化参数。

7、进一步地，所述步骤s1中，建立桥梁结构非线性动力数值分析模型时，将桥梁结构中的主梁、墩柱、桩、桩-土相互作用、支座、索塔、缆索系统、阻尼器作为桥梁结构系统的构件进行模拟，其中：所述桥梁结构采用有限单元法模拟，所述主梁、墩柱、索塔采用梁-柱单元或壳单元模拟，所述桩-土相互作用及支座采用由质量、弹簧和阻尼器组成的系统模拟，所述缆索系统采用桁架单元模拟，所述阻尼器采用非线性单元或非线性弹簧模拟。

8、进一步地，所述步骤s1中，桥梁结构非线性动力数值分析模型应有l个(l≥3)，每个模型有不同的阻尼器参数。

9、进一步地，所述步骤s1中，若干条地震动数量为m×n，其中：m为地震动强度等级，每个等级有n条地震动；各等级地震动强度不同，但地震动频谱特性、持时一致；地震动强度为地震动峰值加速度、地震动谱加速度峰值、地震动峰值速度、地震动峰值位移、地震动能量中的一种。

10、进一步地，所述步骤s1中，损伤状态包含轻微损伤状态、中等损伤状态、严重损伤状态及倒塌状态4种状态。

11、进一步地，所述步骤s1中，工程需求参数中，主梁的工程需求参数为截面屈服弯矩或曲率，墩柱、桩、索塔的工程需求参数为截面曲率延性或各构件侧移率，支座的工程需求参数为支座剪切应变，缆索系统的工程需求参数为应力比。

12、进一步地，所述步骤s1中，所述拟合得到不同损伤状态下基于工程需求参数的易损性曲线符合对数正态分布：

13、

14、式中，φ表示对数正态分布，pi为给定的地震动强度下结构的损伤概率，mlsi为第i个损伤状态下工程需求参数的中值，θ和β分别为通过极大似然估计的中值和标准差，如式(2)所示：

15、

16、式中，nj,i为第i个损伤状态及第j个地震动强度的损伤数量。

17、进一步地，所述步骤s2中，所述结构层面的修复费用方程为：

18、

19、式中，m为损伤状态等级，其中，轻微损伤状态m＝1、中等损伤状态m＝2、严重损伤状态m＝3、倒塌状态m＝4；dik为第i个损伤状态和第k个构件的损伤比，ck为第k个构件的修复成本，cstru为结构建造成本，cdamp为阻尼器成本，pi,k为第i个损伤状态和第k个构件的损伤失效概率：

20、

21、进一步地，所述步骤s3中，遗传算法优化中的适应度函数为修复费用方程，优化变量为阻尼器参数。

22、进一步地，所述步骤s3中，遗传算法优化步骤为：

23、首先，随机生成一系列初始阻尼器参数，赋予非线性动力数值分析模型进行计算，评估适应度函数值；

24、其次，通过变异、杂交及筛选过程，得到一系列新的阻尼器参数；

25、再次，将新的阻尼器参数赋予非线性动力数值分析模型进行计算；

26、重复上述步骤直到满足收敛指标，最终输出优化后的阻尼器参数。

27、本发明提供的这种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，相对于现有技术具有以下有益效果：

28、本发明提供的这种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，通过概率统计思想及最优化理论来求解半漂浮体系斜拉桥中附加阻尼器的最优参数，充分考虑了桥梁结构系统中的多种非线性因素和地震动的随机特性，最终能够确定特定场地下的阻尼器的最优参数，有效避免了现有设计方法中难以考虑结构强非线性及地震动随机性的问题，实现了斜拉桥附加阻尼器基于性能的抗震设计。

技术特征：

1.一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，其特征在于：所述步骤s1中，建立桥梁结构非线性动力数值分析模型时，将桥梁结构中的主梁、墩柱、桩、桩-土相互作用、支座、索塔、缆索系统、阻尼器作为桥梁结构系统的构件进行模拟，其中：所述桥梁结构采用有限单元法模拟，所述主梁、墩柱、索塔采用梁-柱单元或壳单元模拟，所述桩-土相互作用及支座采用由质量、弹簧和阻尼器组成的系统模拟，所述缆索系统采用桁架单元模拟，所述阻尼器采用非线性单元或非线性弹簧模拟。

3.根据权利要求2所述的一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，其特征在于：所述步骤s1中，桥梁结构非线性动力数值分析模型应有l个(l≥3)，每个模型有不同的阻尼器参数。

4.根据权利要求3所述的一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，其特征在于：所述步骤s1中，若干条地震动数量为m×n，其中：m为地震动强度等级，每个等级有n条地震动；各等级地震动强度不同，但地震动频谱特性、持时一致；地震动强度为地震动峰值加速度、地震动谱加速度峰值、地震动峰值速度、地震动峰值位移、地震动能量中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，其特征在于：所述步骤s1中，损伤状态包含轻微损伤状态、中等损伤状态、严重损伤状态及倒塌状态4种状态。

6.根据权利要求5所述的一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，其特征在于：所述步骤s1中，工程需求参数中，主梁的工程需求参数为截面屈服弯矩或曲率，墩柱、桩、索塔的工程需求参数为截面曲率延性或各构件侧移率，支座的工程需求参数为支座剪切应变，缆索系统的工程需求参数为应力比。

7.根据权利要求6所述的一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，其特征在于：所述步骤s1中，所述拟合得到不同损伤状态下基于工程需求参数的易损性曲线符合对数正态分布：

8.根据权利要求7所述的一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，其特征在于：所述步骤s2中，所述结构层面的修复费用方程为：

9.根据权利要求8所述的一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，其特征在于：所述步骤s3中，遗传算法优化中的适应度函数为修复费用方程，优化变量为阻尼器参数。

10.根据权利要求9所述的一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，其特征在于：所述步骤s3中，遗传算法优化步骤为：

技术总结
本发明涉及一种基于性能的桥梁附加阻尼器抗震优化设计方法，属于桥梁工程防灾减灾技术领域。包括：根据桥梁结构建立非线性动力数值分析模型，求解若干条地震动输入下桥梁结构地震响应，拟合得到不同损伤状态下基于工程需求参数的易损性曲线；根据基于工程需求参数的易损性曲线、损伤比和构件修复费用，建立结构层面的修复费用方程；根据桥梁场地特性确定地震动输入、非线性动力数值分析模型和结构层面的修复费用方程，基于遗传算法优化得到阻尼器优化参数。本发明能够确定特定场地下的阻尼器的最优参数，有效避免了现有设计方法中难以考虑结构强非线性及地震动随机性的问题。

技术研发人员：温佳年,马云龙,贾振雷,韩强,杨怀茂
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7