配筋超高性能纤维增强混凝土梁抗冲击性能的多目标优化

为解决超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)梁的抗冲击性能和经济成本之间的主要矛盾,对其开展了多目标优化研究。首先,建立以最大冲击力和比价能为目标响应,UHPFRC梁截面高宽比、UHPFRC强度、受拉钢筋配筋率和体积配箍率为设计变量的多目标优化数学模型。然后,基于响应面试验设计选取样本点,通过非线性接触有限元分析,建立高阶的响应面代理模型;利用方差分析等统计分析技术进行整体拟合效果的验证及预测精度的评估,并分析参数变化的敏感性。最后,将响应面代理模型与多目标遗传算法结合,形成了UHPFRC梁抗冲击性能多目标优化分析方法。研究结果表明:在UHPFRC梁中适当地增加受拉钢筋配筋率及提高截面高宽比,采用强度较低的UHPFRC材料,能显著提高其比价能,并降低冲击瞬间的抗力;提高截面高宽比能改善梁的抗冲击性能,但也会导致接触力增大;提高UHPFRC强度,会增强表面接触刚度,造成冲击瞬间抗力增大,且对比价能的提升作用较小;受拉钢筋配筋率的提高不仅能改善UHPFRC梁的耗能能力,且对冲击力的影响甚微;箍筋用量的改变,不会对最大冲击力和比价能等响应产生明显效果;响应面代理模型可以有效用于UHPFRC梁冲击动力响应的预测及可靠度分析,与多目标遗传算法结合能得到满足不同设计要求的Pareto前沿面,并可给出每组目标函数值对应的设计参数;上述优化方法与思路能较好地应用于类似问题(如滚石撞击、车撞和船撞)的优化设计中,也可促进UHPFRC有效地应用于冲击防护结构中。