基于改进智能算法的超高层建筑抗风优化设计

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近年来,随着经济与科技的发展以及轻质高强材料的广泛使用,超高层建筑的高度越来越高,外形越来越奇特,风荷载在结构设计中起着控制作用,由风致响应导致的结构安全性和舒适性问题日益突出。如何实现超高层建筑结构安全性、舒适性和经济性的统一,一直是结构工程师和风工程研究人员关注的热点。然而,现有的抗风优化设计研究主要采用的是优化准则法,需要通过复杂的公式将约束条件用设计变量显式表达化,并且在处理复杂的工程问题时容易陷入局部最优解。现代智能算法,不需要繁琐的基于梯度的迭代推导,具有通用性强、全局优化性能好等优点,在复杂工程问题中具有良好的应用前景。本文分别以遗传算法和粒子群算法为智能算法代表,结合有限元分析软件,对超高层建筑进行了抗风优化设计,主要工作内容包括:(1)建立了超高层建筑抗风优化设计的数学模型,即以构件截面的几何尺寸(梁、柱、剪力墙)为设计变量,以建筑物的风致响应(顶层侧移值、层间侧移角、风致加速度)为约束条件,以建筑物的总质量为目标函数。(2)开发了MATLAB和ANSYS联合仿真的接口程序,将随机动力风荷载转化为等效静力风荷载,以MATLAB为主程序调用ANSYS进行有限元分析,实现了等效静力风荷载在优化过程中的实时更新。ANSYS参数化设计语言APDL批处理命令流用于结构自振频率的计算、等效静力风荷载的施加、结构楼层侧移的求解,MATLAB用于智能算法的优化。(3)利用罚函数处理约束条件,避免了约束条件的复杂显式表达,适当地惩罚违反约束条件的目标函数值,使其远大于需要的目标值,当算法评估适应度时,这些不满足条件的函数值所得的适应值将很小并逐渐趋于淘汰。(4)分别采用遗传算法和粒子群算法对超高层建筑抗风优化设计方法进行了研究,对算法原理和控制参数的取值进行了详细的介绍,并对算法进行了适当的改进。应用测试函数说明了算法的可行性,并对控制参数进行了合理的设置。通过CAARC高层建筑的数值算例证明了算法的实用性和可行性。结果表明:优化设计后,在满足风致响应约束的前提下,结构的整体刚度有所提高,各楼层刚度自动重新分配,建筑物自重实现最小化,结构上的等效静力风荷载有所减小,特别是横风向风荷载。
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