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申请/专利权人：武汉理工大学

摘要：一种基于最小平均机械能准则的隔震和消能装置优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：根据隔震和消能装置的参数对其减震效果的影响程度，确定优化参数，再建立结构的运动方程、能量方程以及最小平均机械能准则下的机械能方程，根据场地类别及地震分组，按抗震规范反应谱选取多条地震波，然后对计算结果进行平均化处理，将多条地震波分别得到的机械能峰值进行平均化处理，最后选取使结构机械能峰值平均值最小的参数组合，此时得到的结果即为非线性隔震和消能装置的优选参数。本发明算法合理，设计出的参数能够保证隔震和消能装置能够正常工作并发挥预期的效果，隔震或消能装置能达到最佳耗能减震效果。

主权项：1.一种基于平均机械能最小化准则的隔震和消能装置优化设计方法，步骤一、根据隔震和消能装置的参数对其减震效果的影响程度，确定优化参数；步骤二、建立结构的运动方程；式中，M、K、C分别表示主体结构的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵；X表示结构相对位移向量；I为位置选择向量；为地震波加速度；F为隔震和消能装置所提供的恢复力向量；此恢复力既可为线性，输出力的大小与结构相对位移或速度成正比，也可以为非线性形式；步骤三、建立结构的能量方程；对式1进行积分，即可得到整个地震作用时间t内结构系统的能量方程： 式2可简写为：EKt+EPt+EDt+EHt＝ETt3其中，各符号含义表示如下：结构动能： 结构弹性应变能： 结构阻尼耗能： 隔震和消能装置所提供的能量： 地震动总输入能： 式中，隔震和消能装置产生的能量EH可分为装置的弹性势能及滞回耗能即步骤四、建立最小平均机械能准则下的机械能方程；最小化地震总输入能所得到的设计参数可能会导致结构总输入能与其阻尼耗能同步减小，而结构的动能与势能增加，进而导致结构的响应增大，因此在结构设计过程中，应控制结构的动能与势能，将式3写成如下形式： 等式左边为结构系统动能与势能之和，即机械能步骤五、由于地震动的随机性和非线性系统的复杂性，多条地震波作用下所得到的机械能峰值可能具有较大的离散性，因此将多条地震波作用下的系统机械能峰值进行平均化处理，再以最小化平均机械能为控制目标进行参数分析，根据所建立的能量方程，将多条地震波作用下，结构的机械能峰值平均值最小化作为优化目标，优化问题可表示为： α表示非线性系统在多条地震波作用下的不确定性，这里即为结构在多条地震波作用下的机械能峰值的平均值；约束条件为隔震和消能装置的构造要求或正常使用的变形限值，此处表示为位移约束；式中优化变量为待优化的减震装置的物理参数，对于SMA弹簧而言，x为弹簧圈数，y为弹簧丝径，z为弹簧圈径，原则上数量不限，且对于具体的减震装置可以具体选择合适的参数作为优化变量。优化变量的取值范围为：xmin≤x≤xmax；ymin≤y≤ymax；zmin≤z≤zmax11；步骤六、根据场地类别及地震分组，按抗震规范反应谱选取多条地震波，在隔震和消能装置主要参数x，y，z的取值范围内选取一系列离散点[x1,x2,...xi...,xl]、[y1,y2,...yj...,ym]、[z1,z2,...zk...,zn]，其中i＝1,2,...,l，j＝1,2,...,m，k＝1,2,...,n，然后通过时程分析方法，分别计算出在不同地震激励不同优化变量下，隔震或消能结构系统的能量分布，计算一条地震波作用下，结构系统的机械能峰值EMe,Max,ix,y,z；步骤七、判断在参数组合xi，yj，zk下，隔震装置位移峰值或消能装置自身运动状态是否满足约束条件，即式10是否成立，若不成立，则该组参数组合应舍弃，不参与后续步骤；步骤八、对计算结果进行平均化处理；一条地震波作用下，不同参数组合得到多个机械能，将多条地震波分别得到的机械能峰值进行平均化处理，即将参数组合相同，当地震波激励不同时得到的EMe,Max,ix,y,z值进行平均；步骤九、选取使结构机械能峰值平均值最小的参数组合，此时得到的结果即为非线性隔震和消能装置的优选参数。

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