CN109977454A - 一种自复位预制框架结构节点快速优化设计方法 - Google Patents

一种自复位预制框架结构节点快速优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种自复位预制框架结构节点快速优化设计方法，用以优化自复位预制框架结构节点的问题，本方法包括步骤：创建自复位预制框架结构；利用遗传算法优化自复位预制框架结构节点，以确定预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合。本申请提出的快速优化设计方法具有准确、高效、直观的特点。此外，它可以在很短的时间内自动生成优化设计结果。

Description

一种自复位预制框架结构节点快速优化设计方法
技术领域
本发明涉及建筑结构设计技术领域，尤其涉及自复位预制框架结构节点快速优化设计方法。
背景技术
现有的自复位预制框架结构节点迭代、试错的设计方法精确度不高，运算较慢、效率较低并且不直观，会导自复位预制框架结构节点的设置很复杂，并且不能在很短的时间内生成结果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种自复位预制框架结构节点快速优化设计方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种自复位预制框架结构节点快速优化设计方法，包括步骤：
创建自复位预制框架结构；
利用遗传算法优化自复位预制框架结构节点，以确定预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合。
进一步地，所述创建自复位预制框架结构的步骤，具体包括：
获取框架的尺寸、材料属性及侧向力和目标层间位移角；
根据所述框架的尺寸、材料属性及侧向力和目标层间位移角等参数，设计自复位预制框架结构节点。
进一步地，利用遗传算法优化后自复位预制框架结构节点结点设计，以确定预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合的步骤，具体包括：
运用遗传算法随机选取最佳值，创建自复位预制框架结构的初始种群；
对自复位预制框架结构节点的约束条件进行验证；
通过多次迭代选择使预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合。
进一步地，具体包括：
确保所述自复位预制框架结构节点的后张拉预应力筋不屈服；
确保所述自复位预制框架结构节点的工作荷载下由于预应力加上持续荷载而产生的压缩极限纤维应变不得超过混凝土抗压极限应变。；
确保所述自复位预制框架结构节点实现残余变形为零；
确保所述自复位预制框架结构节点的承载力等于设计荷载；
确保所述自复位预制框架结构节点的耗能钢筋所需的无粘结长度为最小无粘结长度。
进一步地，确保后张拉预应力筋不屈服需要满足以下公式：
εp≤α·εpy
其中：
εp＝无粘结后张拉预应力筋在工作状态下的应变；
εpy＝无粘结后张拉预应力筋的屈服应变；
α＝调整系数。
进一步地，工作荷载下由于预应力加上持续荷载而产生的压缩极限纤维应变不得超过混凝土抗压极限应变需要满足以下公式：
其中：
εb，max＝预应力加上持续荷载而产生的压缩极限纤维应变；
εs，max＝混凝土抗压强度；
进一步地，确保残余变形为零需要满足以下公式：
Mp0≥Ms0+Ms’0
其中：
Mp0＝由于后张拉预应力筋提供使剪力墙恢复到原位的力矩；；
Ms0＝由原耗能受拉钢筋在弓箭恢复时所产生的力矩；
Ms’0＝由原耗能受压钢筋在弓箭恢复时所产生的力矩。
进一步地，耗能钢筋所需的无粘结长度为最小长度需要满足以下公式：
其中：
fsu＝耗能钢筋极限应力；
f’gd＝管道内灌浆的抗压强度。
进一步地，满足所有优化约束条件，通过多次迭代选择使确定预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合的步骤，具体包括：
通过遗传算法的选择、突变函数、交叉和迁移算子迭代当前种群；
从迭代后的种群选择若干精英个体，将之放入下一代的迭代中；
当迭代次数满足终止条件时，停止判断，选择使确定预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合。
本发明的有益效果为：
在获得最大耗能能力、结构抗弯承载力与设计力矩相等、实现零残余变形的前提下，求出预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积和耗能钢筋的最小无粘结长度三者的最优组合。与现有的自复位预制框架结构节点迭代、试错的设计方法相比，本申请提出的快速优化设计方法具有准确、高效、直观的特点。此外，它可以在很短的时间内自动生成优化设计结果。
附图说明
图1为自复位预制框架结构节点构架图；
图2为自复位预制框架结构节点梁柱节点构架图；
图3为本发明自复位预制框架结构节点快速优化设计方法的流程框图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
一种自复位预制框架结构节点快速优化设计方法，包括步骤：
创建自复位预制框架结构；
利用遗传算法优化自复位预制框架结构节点，以确定预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合。
进一步地，所述创建自复位预制框架结构的步骤，具体包括：
获取框架的尺寸、材料属性及侧向力和目标层间位移角；
根据所述框架的尺寸、材料属性及侧向力和目标层间位移角等参数，设计自复位预制框架结构节点。
进一步地，利用遗传算法优化后自复位预制框架结构节点结点设计，以确定预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合的步骤，具体包括：
运用遗传算法随机选取最佳值，创建自复位预制框架结构的初始种群；
对自复位预制框架结构节点的约束条件进行验证；
通过多次迭代选择使预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合。
进一步地，具体包括：
确保所述自复位预制框架结构节点的后张拉预应力筋不屈服；
确保所述自复位预制框架结构节点的工作荷载下由于预应力加上持续荷载而产生的压缩极限纤维应变不得超过混凝土抗压极限应变。；
确保所述自复位预制框架结构节点实现残余变形为零；
确保所述自复位预制框架结构节点的承载力等于设计荷载；
确保所述自复位预制框架结构节点的耗能钢筋所需的无粘结长度为最小无粘结长度。
首先优化自复位预制框架结构节点模型：
优化模型的目标是：找到预应力钢筋束最小面积和耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度组合，同时保持墙体的弯矩能力等于应用的设计力矩，达到最大值耗能钢筋的耗能能力，同时实现零残余漂移。
其中设计变量为：Ap，As，Lsu
其中：
Ap，为预应力钢筋束最小面积；
As，耗能钢筋的最大面积；
Lsu为每个界面耗能钢筋的无粘结长度。
建立目标函数：Ψ＝Ap·Lsu，确认Ψ的最小值，即可实现预应力钢筋束最小面积和耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度组合
其中优化设计应该满足一下约束条件：
(1)确保后张拉预应力筋不屈服需要满足以下公式：
εp≤α·εpy
其中：
εp＝无粘结后张拉预应力筋在工作状态下的应变；
εpy＝无粘结后张拉预应力筋的屈服应变；
α＝调整系数，使设计人员能够灵活地控制和限制后张拉钢筋束中的应变，使后张拉钢筋束达到屈服应变以下的任何所需水平。
(2)，工作荷载下由于预应力加上持续荷载而产生的压缩极限纤维应变不得超过混凝土抗压极限应变需要满足以下公式：
其中：
εb，max＝预应力加上持续荷载而产生的压缩极限纤维应变；
εs，max＝混凝土抗压强度；
(3)，确保残余变形为零即实现零残余漂移；具体的，在达到对应力后，返回到零漂移的设计漂移之后，由于低碳钢加固，由后张拉筋提供的恢复力矩应该大于相应的力矩；目的是为了确保框架在地震后重新定中心。其中，两组耗能钢筋(顶部和底部)在该阶段处于压缩状态。也就是说需要满足以下公式：
Mp0≥Ms0+Ms，0
其中：
Mp0＝由于后张拉预应力筋提供使剪力墙恢复到原位的力矩；；
Ms0＝由原耗能受拉钢筋在弓箭恢复时所产生的力矩；
Ms’0＝由原耗能受压钢筋在弓箭恢复时所产生的力矩。
其中：
Mp0＝Fp0hg(0.5-α0)
Ms0＝Fs0hg(1-ζ-α0)；
Ms’0＝Fs’0hg(ζ-α0)；
Fc0＝Fp0+Fs0-Fs’0；
其中：
Fc0＝残余变形为零时混凝土中的合力；
Fp0＝残余变形为零时后张拉预应力筋的合力；
Fs0＝残余变形为零时手受拉耗能钢筋的合力；
α0＝残余变形为零时等效混凝土应力块的高度；
Fp0＝Apfpi；
Fs0＝Asλs’，desfsy；
Fs’0＝Asλs’，desfsy；
其中：
a0＝等效应力块在零点漂移处的深度；
(4)耗能钢筋所需的无粘结长度为最小长度需要满足以下公式：
其中：
fsu＝耗能钢筋极限应力；
f’gd＝管道内灌浆的抗压强度。
耗能钢筋所需的最小无粘结长度，其中温和张力钢筋的伸长率可以计算如下：
Δs＝θdeshg(1-ζ-ηdes)；
此外，耗能钢筋中的应变应等于或小于低碳钢钢筋中的最大设计应变。即：
Lsu＝在每个界面位置物理剥离的低碳钢筋的长度；
εs，max＝低碳钢筋的最大设计应变；
然而，自复位预制框架的损坏要求为耗能钢筋的破裂。
因此，耗能钢筋破裂的预测是一个非常重要的问题，应该在设计中加以考虑。具体如下：
其中：
Lut＝低碳钢筋的总无粘结长度包括效果；
εsb＝低碳钢筋中的表观最大轴向设计应变；
Lut＝Lsu+Lua
εsb＝εs，max-εb，max
其中：
εb，max＝对应的最大弯曲应变；
其中：
db＝预应力钢筋束的直径；
其中：
fsu＝低碳钢筋极限应力；
f’gd＝管道内灌浆的抗压强度；
进一步地，满足所有优化约束条件，通过多次迭代选择使确定预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合的步骤，具体包括：
通过遗传算法的选择、突变函数、交叉和迁移算子迭代当前种群；
从迭代后的种群选择若干精英个体，将之放入下一代的迭代中；
当迭代次数满足终止条件时，停止判断，选择使确定预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种自复位预制框架结构节点快速优化设计方法，其特征在于，包括步骤：
创建自复位预制框架结构；
利用遗传算法优化自复位预制框架结构节点，以确定预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合。
2.根据权利要求1所述的自复位预制框架结构节点快速优化设计方法，其特征在于，所述创建自复位预制框架结构的步骤，具体包括：
获取框架的尺寸、材料属性及侧向力和目标层间位移角；
根据所述框架的尺寸、材料属性及侧向力和目标层间位移角等参数，设计自复位预制框架结构节点。
3.根据权利要求1所述的自复位预制框架结构节点快速优化设计方法，其特征在于，利用遗传算法优化后自复位预制框架结构节点结点设计，以确定预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合的步骤，具体包括：
运用遗传算法随机选取最佳值，创建自复位预制框架结构的初始种群；
对自复位预制框架结构节点的约束条件进行验证；
通过多次迭代选择使预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合。
4.根据权利要求3所述的自复位预制框架结构节点快速优化设计方法，其特征在于，对所述预制自复位预制框架结构节点系统的约束条件进行验证的步骤，具体包括：
确保所述自复位预制框架结构节点的后张拉预应力筋不屈服；
确保所述自复位预制框架结构节点的工作荷载下由于预应力加上持续荷载而产生的压缩极限纤维应变不得超过混凝土抗压极限应变。；
确保所述自复位预制框架结构节点实现残余变形为零；
确保所述自复位预制框架结构节点的承载力等于设计荷载；
确保所述自复位预制框架结构节点的耗能钢筋所需的无粘结长度为最小无粘结长度。
5.根据权利要求3所述的自复位预制框架结构节点快速优化设计方法，其特征在于，确保后张拉预应力筋不屈服需要满足以下公式：
εp≤α·εpy
其中：
εp＝无粘结后张拉预应力筋在工作状态下的应变；
εpy＝无粘结后张拉预应力筋的屈服应变；
α＝调整系数。
6.根据权利要求4所述的自复位预制框架结构节点快速优化设计方法，其特征在于，工作荷载下由于预应力加上持续荷载而产生的压缩极限纤维应变不得超过混凝土抗压极限应变需要满足以下公式：
其中：
εb，max＝预应力加上持续荷载而产生的压缩极限纤维应变；
εs，max＝混凝土抗压极限应变。
7.根据权利要求4所述的自复位预制框架结构节点快速优化设计方法，其特征在于，确保残余变形为零需要满足以下公式：
Mp0≥Ms0+Ms’0
其中：
Mp0＝由于后张拉预应力筋提供使剪力墙恢复到原位的力矩；；
Ms0＝由原耗能受拉钢筋在弓箭恢复时所产生的力矩；
Ms’0＝由原耗能受压钢筋在弓箭恢复时所产生的力矩。
8.根据权利要求4所述的自复位预制框架结构节点快速优化设计方法，其特征在于，耗能钢筋所需的无粘结长度为最小长度需要满足以下公式：
其中：
fsu＝耗能钢筋极限应力；
f'gd＝管道内灌浆的抗压强度。
9.根据权利要求3所述的自复位预制框架结构节点快速优化设计方法，其特征在于，满足所有优化约束条件，通过多次迭代选择使确定预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合的步骤，具体包括：
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