基于性能的抗震设计以及基础隔震、消能减震和结构控制是工程结构抗震技术的发展方向和趋势,它们从理念到实施方法彼此紧密联系,这些发展趋势将对工程结构抗震带来重大的变化和影响。在这些方向中,基础隔震结构以其优良的减震效果、安全性、耐久性、经济性、适用性,得到地震工程界的认可。目前,叠层橡胶支座隔震技术已经较为成熟,成为很重要的一种结构控制技术。 本文分为两大部分:隔震结构优化设计和工程数值方法中的混沌。第一部分以正在大力推广应用的基础隔震技术为研究重点,开展了以下研究工作: 首先系统总结和评述了隔震结构的国内外研究和应用状况,讨论了需要研究解决的主要问题。 其次,进行了基于投资—效益准则的隔震结构一体化优化设计。由于推广隔震结构面临的一个重要问题是投资问题,作者基于投资—效益准则,以铅芯橡胶支座基础隔震结构全寿命周期内的初始造价和失效损失总造价最小为优化目标,以上部结构构件截面尺寸和隔震器参数为设计变量,建立隔震结构一体化优化设计模型和计算方法:分别采用反应谱方法和时程分析法,对钢筋混凝土框架隔震结构进行一体化优化设计;应用含潜在约束策略的序列二次规划算法,并结合选择性动态圆整法进行具有连续、离散混合变量的隔震结构的非线性动力优化设计。 第三,对近断层地震动作用下铅芯橡胶支座隔震结构进行反应分析和优化设计。考虑到近断层地震动的长周期脉冲运动可能对隔震结构的抗震性能产生不利影响,以实际近震、远震记录为地震动输入,对钢筋混凝土框架隔震结构进行非线性地震反应时程分析,计算结果表明隔震结构的近震脉冲效应非常显著,是隔震设计不容忽视的问题;进行了近断层地震动作用下隔震结构的一体化优化设计,结果表明,对考虑脉冲型近震作用的隔震结构进行参数优化设计后,该隔震结构能同时满足脉冲型和普通非脉冲型近震作用的结构设计需求。 上述研究通过对结构构件截面尺寸和隔震器参数的同时优化,以提高隔震结构的抗震能力,降低结构的建设总造价,为隔震结构的实际设计提供优化的参照和依据。从结构抗震性能、初始造价和失效损失三方面的收益分析表明,与普通抗震设计相比,隔震设计更经济地实现了基于投资—效益准则的总造价最小的优化目标。 最后,对以分灾抗震设计为代表的建筑结构新概念设计作了一定探索,整理提炼和总结讨论了结构分灾抗震设计、结构仿生设计的基本概念、设计原则和工程应用。结构设计概念和设计方法发展的相对滞后妨碍和影响了工程师的设计实践,需要人们整理和提炼工程设计实践中具有一定普遍性和先进性的设计概念和理念,建立新的设计概念和方法,发展现代结构设计方法学,以丰富和创建结构新体系。 多年来,利用混沌动力学理论已经有效地解决了工程与科学领域许多离散和连续动力系统的强非线性问题。结构工程和工程力学中许多控制性方程高度非线性,导致求解这些非线性控制方程的数值计算方法往往因为不收敛而失败,例如,在第一部分基于反应谱法的隔震结构优化设计研究中,迭代计算就多次出现周期解振荡不收敛现象。可是,目前对数值计算方法失败的原因并不十分清楚,往往只是给出了表面的解释,揭示决定性的因素并寻求相应的对策对于科学工程计算非常必要和重要。另一方面,近年来,混浊优化方法、混沌神经网络等已被作为全局优化方法应用于化工、机械、土木、控制工程等多学科优化问题的求解。因此,本文的第二部分研究探讨了工程数值方法中的混沌动力学问题,具体包括: 进行了非线性函数的混沌优化方法的比较研究。本文通过对混沌/随机优化混合方法的全局优化计算效率和寻优能力进行比较,指出混沌优化方法是与Monte Carl。方法类似的又一种随机性试验优化方法的本质,澄清了混沌优化方法这一全局优化算法的计算效果,即其实际效果不如一些文献中声称的那么高效. 应用混沌动力学理论分析了一次可靠度方法FORM的收敛性问题。针对FORM算法对一些非线性极限状态函数的可靠指标迭代求解不收敛现象,引入混沌动力学观点讨论FORM收敛失败的非线性动力学根源,给出了几个典型函数在参数区间上的可靠指标分岔图,展示了极限状态函数经过FORM迭代成为非线性映射后计算结果的周期振荡、分岔和混沌等复杂动力学现象,计算和讨论了非线性映射的Lyapunov指数,以全面理解可靠度分析程序的计算结果,为应用、开发和评价近似可靠度算法提供了新视角。关键词:基础隔震结构,投资一效益准则,铅芯橡胶支座,一体化优化设计,近断层脉冲型地震动,分灾抗震设计,混沌动力学,混沌优化方法,一次可靠度方法FORM