基于GARS的规则钢筋混凝土桥梁圆形单柱桥墩延性抗震优化设计

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1、万方数据振动与冲击第29卷第3期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKV01．29No．3201011111Ii_I●_基于GA—RS的规则钢筋混凝土桥梁圆形单柱桥墩延性抗震优化设计郑玉国1，-，袁万城1(1．同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；2．湖南科技大学土木工程学院，湘潭411201)摘要：提出抗震结构集成优化设计的新方法，将多目标遗传优化算法与反应谱分析很好地结合起来，建立规则钢筋混凝土圆形单柱桥墩多目标抗震优化设计的通用框架，以圆形单柱桥墩的截面半径、纵向钢筋配筋率和横向箍筋配筋率为设计变量，以结构的初始材料造价、抗震强度需求能力比

2、、抗震延性需求能力比为优化目标函数。通过把延性抗震设计问题转化为多目标优化问题，从而使设计者可以很好地平衡抗震设计的各种关键因素，并以可控的方式处理多个优化目标而获得Pareto意义上的最优设计参数。关键词：规则钢筋混凝土桥梁；抗震优化设计；延性抗震设计；遗传算法；反应谱分析中图分类号：U442．5+5文献标识码：A从1972年“u和Neghabat⋯开展抗震结构优化设计的开创性研究至今，国内外抗震结构优化设计的研究经过了近40年的发展历程。考虑到桥梁抗震优化设计的复杂性和特殊性，关于其抗震优化设计的研究还不太多，采用遗传算法进行相关研究的文献就更少。Verma和Priest

3、ley[2o将钢筋混凝土圆柱桥墩看作单自由度体系并采用反应谱法计算其地震响应，利用参数化方法获得使结构材料费用最小的最优柱高、柱径、轴压比和延性。李建中等¨1采用可行方向法对小震、中震和大震作用下的减、隔震连续梁桥整体进行抗震优化设计。Simoes等”o分别采用反应谱法和时程方法对三维斜拉桥模型进行非线性地震响应分析，运用信息熵的概念将其多目标优化问题转化为无约束凸函数的极小值问题，然后采用凸优化方法进行求解。谢楠等”娟。分别以可靠度为优化约束和优化目标，考虑钢筋混凝土桥墩的延性性能并基于列车正常行驶极限状态的概念，采用改进的遗传算法对铁路桥梁进行抗震可靠度优化设计。其它与桥

4、梁抗震优化相关的研究要么侧重于桥梁抗震修复优化设计"1等方面，要么侧重于桥梁抗震加固优化设计捧卅¨等方面。考虑到上述抗震结构优化设计的研究通常以抗震需求、材料用量或结构造价为单目标进行优化，而以结构相应的抗震能力为优化约束，这在一定程度上导致优化过程中能力与需求的脱节而不能得到同时满足抗震能力最大、抗震需求最小并且造价最优的抗震设计。另外考虑到对于最普遍的规则钢筋混凝土桥梁抗震设计方案的优选决策，一方面本质上存在对多个设计目标的追求，另一方面又一直缺乏比较理性的框架和指导。因此提出与以往抗震结构优化设计不同的思路，基金项目：国家自然科学基金资助项目(50778131)；国家科

5、技支撑计划资助项目(2006BAG04802)；交通部科技项目(200631882225)收稿日期：2009一02一16修改稿收到日期：2009一04—30第一作者郑玉国男，博士生，讲师，1978年4月生将多目标遗传优化算法与反应谱方法很好地结合起来，以结构的抗震强度需求能力比、抗震延性需求能力比、结构的初始材料造价为目标函数，以桥墩的截面特性、纵向钢筋配筋率和横向箍筋配筋率为设计变量，建立抗震结构优化设计的框架体系和程序系统，全面权衡桥梁抗震设计中的各种关键因素，以很好地解决多地震水平下规则钢筋混凝土桥梁圆形单柱桥墩的抗震设计问题。1基于反应谱的延性抗震设计对于如图1(a)

6、所示的单跨跨径不超过150ITI的规则单柱桥墩桥梁，由于反应谱分析的经济性和精度能够达到合理的平衡，其无疑是进行该类桥梁地震响应分析的较好选择。由于规则桥梁的桥墩高度和截面特性一般均相近，因此可以将单柱桥墩简化为如图1(b)所示的单自由度体系并按照延性构件来进行设计。＼][／矫台桥台桥墩挢墩(a)规则钢筋混凝上桥梁(b)桥墩的单自由度模型图1规则钢筋混凝土桥梁及单柱桥墩模型1．1El地震作用下的设计依据规范的规定¨2I，对中小跨径规则桥梁采用阻尼比为0．05的水平加速度反应谱s。来计算水平方向的地震作用。rS～(5．5T+0．45)T<0．1ss^={s。0．1ssT≤t(1

7、)Ls。，(t／r)T>t其中S一=2．25CfC，CdA。考虑上部结构、基础等构件刚度的影响，墩顶水平万方数据振动与冲击2010年第29卷地震力瓦的简化计算公式为：E^=ShG。／g(2)其中墩柱顶面的换算质点重力G。=G妒+G，／3，G。。和G。分别为上部结构和墩身的重力，而自振周期r可以按照单自由度体系采用简化公式近似进行计算m]。根据墩顶的水平地震力，可以计算出桥墩各截面的地震响应即抗震需求：轴力设计值虬和弯矩设计值帆。根据圆形单柱墩截面上的实际受力情况，按偏心受压构件来验算其抗弯强度[14l：