本发明属于结构工程，具体涉及一种部分自复位预制框架结构快速优化设计方法及系统。
背景技术：
1、现有的自复位预制框架结构大多通过将结构的各节点均设置为自复位节点的形式，来减小结构在震后的残余变形。2018年8月28日，国家知识产权局授权公告了“一种多高层装配式模块化自复位钢结构异形柱框架体系”的发明专利申请(公告号为：cn 107299679b)，该专利申请所公开的技术方案是一种多高层装配式模块化自复位钢结构异形柱框架体系，属于结构工程技术领域，包括外节点模块、角节点模块和内节点模块。该技术方案提出一种新型装配式模块，截取框架的节点及反弯点处作为整体进行装配，柱与柱采用弱连接，以减少钢用量和降低连接难度。该技术方案通过预应力钢绞线减小框架节点在地震后的残余变形，并实现自复位的效果。该技术方案通过托板，盖板和外肋的设置，提升节点的稳定性。该技术方案的缺陷在于将结构中的所有节点设置为自复位节点，在建造成本的控制上不具备足够优势。同时，该技术方案的缺陷还在于该自复位节点布置策略未保证震时结构的抗倒塌性能，也未综合考虑结构的震后残余变形和经济性以达到最优组合。2020年2月4日，国家知识产权局授权公告了“一种自复位预制框架结构节点快速优化设计方法”的发明专利申请(公告号为：cn 109977454 b)，该专利申请所公开的技术方案是一种自复位预制框架结构节点快速优化设计方法，用以优化自复位预制框架结构节点的问题，包括步骤：创建自复位预制框架结构；利用遗传算法优化自复位预制框架结构节点，以确定预应力钢筋束的最小面积、耗能钢筋的最大面积以及耗能钢筋的最小无粘结长度的最优组合。该技术方案的缺陷在于要求所有预应力钢筋束不屈服，降低了预应力钢筋束的利用率，经济性较差；该技术方案在微观应变层面进行混凝土梁安全性设计，将导致应力集中导致的对混凝土梁破坏判定的严重失真。2020年7月28日，国家知识产权局授权公告了“一种自复位框架结构及施工方法”的发明专利申请(公告号为：cn 108589914 b)，该专利申请所公开的技术方案是一种自复位框架结构，即有一定整体自复位能力的框架结构。该技术方案预留有用于张拉预应力钢绞线的后浇混凝土的凹槽的预制混凝土梁；设置于梁两端和柱上连接区域的钢板连接件；设置于钢板连接件上的高强螺栓；设置于钢板连接件之间且长度方向与预制混凝土梁平行的型钢；设置与柱上钢板连接件与型钢都垂直的加劲肋；设置于柱上钢板连接件上的高强螺栓；贯穿于钢板连接件且长度方向与预制混凝土梁平行的预应力钢绞线；设置于预制混凝土梁预留凹槽中的预应力钢绞线端部的夹片式锚具；以及，设置于柱上钢板连接件上且在预应力钢绞线端部的低回缩夹片式锚具。该技术方案的缺陷在于预制混凝土梁预留凹槽所占空间较大，严重削弱了预制混凝土梁的完整性，导致与自复位节点相近的梁段存在先于连接件锚固失效而破坏得可能性。同时，该技术方案的缺陷还在于简单地将自复位节点满布于结构中，并未保证该技术方案结构的自复位性能达到最优。
技术实现思路
1、本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种部分自复位预制框架结构快速优化设计方法及系统，通过遗传算法的迭代优化，得到自复位预制框架结构最优的自复位节点初始状态(包括钢绞线截面面积、钢绞线预应力、摩擦力)和自复位节点布置方案，使得自复位预制框架结构的地震响应、框架的建造成本达到综合最优。其中，在进行遗传算法优化的过程中，对预制框架结构中的自复位节点采用唯象自复位节点的模拟方式，在准确体现框架结构动力特性的同时，加速了优化设计进程。进而，根据优化得到的自复位节点初始状态，通过相应设计规范进行自复位梁端组合截面和梁柱连接件的设计，实现自复位预制框架结构快速优化设计，避免了重复节点布置多方案/截面设计-结构验算-节点重布置/截面重设计的繁重流程。
2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种部分自复位预制框架结构快速优化设计方法，包括以下步骤：
3、s1、构建原始预制框架模型，定义材料属性及倒塌层间位移角，验证满足第一预设条件，得到框架几何模型，基于所述框架几何模型计算节点的梁端弯矩-转角极限；
4、s2、采用遗传算法获取自复位节点初始状态和自复位节点布置方案，创建自复位预制框架结构的初始种群；
5、s3、验证自复位节点初始状态以及自复位节点布置方案是否满足第二预设条件，满足时，输出所述自复位节点初始状态以及所述自复位节点布置方案；不满足时，对自复位节点初始状态以及自复位节点布置方案进行选择操作、交叉操作以及变异操作后，重复s3；所述第二预设条件包括：自复位验证、抗破坏验证、抗倒塌验证以及终止准则验证；
6、s4、基于输出的所述自复位节点初始状态以及所述自复位节点布置方案进行梁柱结构件和梁组合截面设计。
7、进一步优选地，所述自复位节点初始状态包括：钢绞线提供的自复位节点张开力矩和摩擦力提供的自复位节点张开力矩，分别为：
8、ms0＝∑ti0di0，
9、mf0＝2ffr，
10、式中，ms0表示钢绞线提供的自复位节点张开力矩；mf0表示摩擦力提供的自复位节点张开力矩；ti0表示各钢绞线初始拉力；di0表示各钢绞线拉力到梁绕柱转动中心的距离；ff表示摩擦力合力；r表示摩擦力合力到梁绕柱转动中心的距离。
11、进一步优选地，所述自复位验证的方法为：
12、ms0＞αmf0(α＞1)，
13、式中，ms0表示钢绞线提供的自复位节点张开力矩；mf0表示摩擦力提供的自复位节点张开力矩；α表示调整系数；
14、所述抗破坏验证的方法为：
15、
16、其中，
17、msf＝ms+mf0，
18、ms＝ms0+kθ，
19、
20、ki＝ea/l，
21、式中，msf表示自复位节点的力矩；β表示梁混凝土截面安全系数；ms表示钢绞线提供的自复位节点力矩；ms0表示钢绞线提供的自复位节点张开力矩；θ表示自复位节点的转角变形；k表示自复位节点的第二刚度；ki表示钢绞线的线刚度；di0表示各钢绞线拉力到梁绕柱转动中心的距离；e、a、l分别表示钢绞线的弹性模量、横截面积、长度；θlim表示自复位节点的转角极限。
22、进一步优选地，所述抗倒塌验证的方法为：
23、δmax,duration≤θcollapse，
24、式中，δmax,duration表示自复位预制框架结构的震时最大层间位移角；θcollapse表示自复位预制框架结构的倒塌层间位移角限值。
25、进一步优选地，所述终止准则验证的方法为：
26、
27、式中，φg+1、φg分别表示遗传算法迭代过程中，第g+1代、第g代的φ值；η表示容许误差限值。
28、本发明还提供一种部分自复位预制框架结构快速优化设计系统，所述系统用于应用上述方法，包括：构建模块、获取模块、优化模块以及输出模块；
29、所述构建模块用于构建原始预制框架模型，定义材料属性及倒塌层间位移角，验证满足第一预设条件，得到框架几何模型，基于所述框架几何模型计算节点的梁端弯矩-转角极限；
30、所述获取模块用于采用遗传算法获取自复位节点初始状态和自复位节点布置方案，创建自复位预制框架结构的初始种群；
31、所述优化模块用于验证自复位节点初始状态以及自复位节点布置方案是否满足第二预设条件，满足时，输出所述自复位节点初始状态以及所述自复位节点布置方案；不满足时，对自复位节点初始状态以及自复位节点布置方案进行选择操作、交叉操作以及变异操作后，重复验证，直到满足所述第二预设条件；所述第二预设条件包括：自复位验证、抗破坏验证、抗倒塌验证以及终止准则验证；
32、所述输出模块用于基于输出的所述自复位节点初始状态以及所述自复位节点布置方案进行梁柱结构件和梁组合截面设计。
33、进一步优选地，所述自复位节点初始状态包括：钢绞线提供的自复位节点张开力矩和摩擦力提供的自复位节点张开力矩，分别为：
34、ms0＝∑ti0di0，
35、mf0＝2ffr，
36、式中，ms0表示钢绞线提供的自复位节点张开力矩；mf0表示摩擦力提供的自复位节点张开力矩；ti0表示各钢绞线初始拉力；di0表示各钢绞线拉力到梁绕柱转动中心的距离；ff表示摩擦力合力；r表示摩擦力合力到梁绕柱转动中心的距离。
37、进一步优选地，所述自复位验证的方法为：
38、ms0＞αmf0(α＞1)，
39、式中，ms0表示钢绞线提供的自复位节点张开力矩；mf0表示摩擦力提供的自复位节点张开力矩；α表示调整系数；
40、所述抗破坏验证的方法为：
41、
42、其中，
43、msf＝ms+mf0，
44、ms＝ms0+kθ，
45、
46、ki＝ea/l，
47、式中，msf表示自复位节点的力矩；β表示梁混凝土截面安全系数；ms表示钢绞线提供的自复位节点力矩；ms0表示钢绞线提供的自复位节点张开力矩；θ表示自复位节点的转角变形；k表示自复位节点的第二刚度；ki表示钢绞线的线刚度；di0表示各钢绞线拉力到梁绕柱转动中心的距离；e、a、l分别表示钢绞线的弹性模量、横截面积、长度；θlim表示自复位节点的转角极限。
48、进一步优选地，所述抗倒塌验证的方法为：
49、δmax,duration≤θcollapse，
50、式中，δmax,duration表示自复位预制框架结构的震时最大层间位移角；θcollapse表示自复位预制框架结构的倒塌层间位移角限值。
51、进一步优选地，所述终止准则验证的方法为：
52、
53、式中，φg+1、φg分别表示遗传算法迭代过程中，第g+1代、第g代的φ值；η表示容许误差限值。
54、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
55、本发明提出的部分自复位预制框架结构快速优化设计方法，应用在需考虑抗震经济性的自复位预制框架结构上，能够便于设计者针对不同的抗震性能需求，对框架自复位能力进行不同水平的设置。同时，允许部分钢绞线在大震下进入屈服状态，避免了现有技术方案限制钢绞线屈服带来的钢绞线利用率低下和经济性较差的不足。唯象节点的应用加速了结构的优化设计进程。若干验证环节确保了与自复位节点相连的混凝土梁段的安全，确保了自复位性能能够可靠发挥，更便于设计者从节点的宏观力学性能上对框架自复位性能可靠性的把控，进一步加速了结构的优化设计过程。避免了如构件相互接触带来的应力集中等对混凝土的微小局部的应力应变的过分放大所导致的对混凝土梁破坏判定的严重失真的问题。
1.一种部分自复位预制框架结构快速优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种部分自复位预制框架结构快速优化设计方法，其特征在于，所述自复位节点初始状态包括：钢绞线提供的自复位节点张开力矩和摩擦力提供的自复位节点张开力矩，分别为：
3.根据权利要求1所述一种部分自复位预制框架结构快速优化设计方法，其特征在于，所述自复位验证的方法为：
4.根据权利要求1所述一种部分自复位预制框架结构快速优化设计方法，其特征在于，所述抗倒塌验证的方法为：
5.根据权利要求1所述一种部分自复位预制框架结构快速优化设计方法，其特征在于，所述终止准则验证的方法为：
6.一种部分自复位预制框架结构快速优化设计系统，所述系统用于应用权利要求1-5任一项所述方法，其特征在于，包括：构建模块、获取模块、优化模块以及输出模块；
7.根据权利要求6所述一种部分自复位预制框架结构快速优化设计系统，其特征在于，所述自复位节点初始状态包括：钢绞线提供的自复位节点张开力矩和摩擦力提供的自复位节点张开力矩，分别为：
8.根据权利要求6所述一种部分自复位预制框架结构快速优化设计系统，其特征在于，所述自复位验证的方法为：
9.根据权利要求6所述一种部分自复位预制框架结构快速优化设计系统，其特征在于，所述抗倒塌验证的方法为：
10.根据权利要求6所述一种部分自复位预制框架结构快速优化设计系统，其特征在于，所述终止准则验证的方法为：
