基于遗传算法的负刚度装置位置优化论文_于心蓬1

摘要：利用遗传算法对新型轨道式负刚度装置的安装位置进行优化。设定初始种群规模为20，进化代数为20，对NSD的布置位置进行优化。优化后，位移减震率为20%，分析位移、加速度时程曲线，得出结论：优化可以保证NSD装置对加速度控制效果不变的情况下，降低结构的位移响应，增大结构安全性。

关键词：遗传算法；负刚度装置；轨道母线方程；优化设计；Benchmark模型

0 引言

传统抗震手段[1]存在震后结构大位移、永久变形和结构功能受损等问题，因此负刚度控制[2]作为新型的被动控制手段受到广泛的关注。2017年，孙彤[3]等提出了一种新型轨道式负刚度装置，本文利用遗传算法[4]对此新型轨道式负刚度装置进行优化设计。

1遗传算法优化设计

1.1编码与位置建模

目前集中几种常用的编码技术有二进制编码、浮点编码和字符编码等，本文采用二进制编码。

同时对位置信息进行数学建模，建模的基本思路为基本思路为在NSD原布置位置周围将61个阻尼支撑大致均分成8个区块，对每个区块内的位置进行重新编号如下图，接下来8个NSD在各自分别在8个区域内各自随机取值，即位置编号。

图2 NSD装置位置编号图

1.2目标函数

针对负刚度装置降低结构刚度、增大位移反映的特点，设计兼顾加速度反应和位移反应的目标函数[6]：

（1）式中：和分别为地震作用下优化后的NSD控制结构峰值加速度和原NSD控制结构峰值加速度。经计算，同理。

1.3选择算子

选择操作是依照优胜劣汰的思想，从当前群体中选出优良的个体，使它们有机会作为父代产生下一代个体。本文采用轮赌盘方法作为选择算子。

1.4 交叉算子

交叉是遗传算法中的基本操作。通过交叉操作可以得到子代个体，子代个体拥有父代个体的特性。本文采用两点交叉，即两个点随机设置于父代基因编码中，交换基因首尾两段染色体。

2数值模拟与结果分析

2.1优化过程及结果

某8层钢框架结构，自振周期为3s，阻尼比为2％。地震动荷载选取不利实际地震加速度记录：F4（EI Centro，N69W，1979）峰值加速度均设为40m/s2，相当于烈度为8度地区大震情况。

应用遗传算法，设定初始种群规模为20，进化代数为20，二进制长度为20，代沟为0.9，交叉概率为0.7，变异概率为0.9，对新型轨道式负刚度装置的轨道母线方程进行优化。

表1 优化参数及结果

由表可知优化后结构位移减震率为20%，加速度减震率为-0.3%。优化后NSD装置能有效控制结构的地震位移响应。

2.2数值分析

图4优化前后第八层楼层位移对比图

分析位移时程曲线图，优化前函数最值大于优化后函数最值，证明优化加强地震下结构峰值位移控制效果。由图可知整体上优化前位移时程曲线（实线）包裹着优化后位移时程曲线（虚线）。综上，（1）优化可以降低地震中结构位移峰值。（2）优化可以降低结构地震过程中发生的位移。

图6优化前后第八层楼层加速度对比图

加速度对比图中，优化前后加速度时程曲线十分接近，分析出总结加速度控制效果不变。

4结论

（1）经优化后，位移减震率为20%，加速度减震率为-0.3%。优化可有效提高NSD控制系统位移减震效果。

（2）通过分析时程曲线图，优化在减小峰值位移和加速度的同时可以整体上控制地震发生时间段内的位移与加速度。

参考文献：

[1]李钢，李宏男．新型软钢阻尼器的减震性能研究[J].振动与冲击，2006，26（3）：250-261.

[2]Pasala D， Sarlisa，Nagarajaih，etal.Adaptive negativestiffness：new structure modification approach for seismic protection[J].Journal of Structure Engineering，2013，139（7）：1112-1123.

[3]孙彤，李宏男.采用轨道式负刚度装置的结构减震控制研究[J].振动工程学报，2017，30（3）：449-456.

[4]雷英杰，张善文.MATLAB遗传算法工具箱及应用[M].西安电子科技大学出版社，2015.

[5]S.Nagarajaiah，S.Narasimhan.Smart Base Isolated Benchmark Building Part II：Phase I Sample[J].Journal of Structure Control，2002，00：1–6.

[6]孙彤，李宏男.基于遗传算法的负刚度装置优化布置[J].大连理工大学学报，2017，57（1）：87-91.

作者简介：于心蓬（1992.12-），男，汉族，2017级沈阳建筑大学土木工程学院研究生，研究方向：结构工程。

论文作者:于心蓬1

论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期

论文发表时间:2020/1/2

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