本方案屬于海域結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域，具體涉及一種基于粒子群算法標(biāo)定海域地震動(dòng)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的方法。

背景技術(shù)：

1、隨著海洋工程的快速發(fā)展，海上風(fēng)力發(fā)電、海上石油鉆井平臺(tái)、跨海大橋、海底隧道、海底輸油管道和海底通信電纜等重大海洋工程的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)日益增多。這些工程往往位于地震活躍區(qū)域，因此，對(duì)海洋工程進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防顯得尤為重要。然而，由于海域地震動(dòng)的特性與陸地存在顯著差異，傳統(tǒng)的陸域抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并不完全適用于海洋工程。

2、傳統(tǒng)的海洋工程抗震設(shè)計(jì)多參考陸域抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，例如采用三水準(zhǔn)兩階段的抗震設(shè)計(jì)方法。但這種方法缺乏對(duì)海域地震動(dòng)特性的深入分析，難以確保設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的合理性和準(zhǔn)確性。此外，由于缺乏專(zhuān)門(mén)針對(duì)海域地震動(dòng)特性設(shè)計(jì)的抗震反應(yīng)譜，海洋工程的抗震設(shè)計(jì)合理性受到質(zhì)疑。

3、海域地震動(dòng)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是近海建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和加固評(píng)估的重要依據(jù)，也是編制海域地震區(qū)劃的主要指標(biāo)。它在進(jìn)行海域場(chǎng)地人工地震動(dòng)合成和地震動(dòng)挑選中起著關(guān)鍵作用。然而，現(xiàn)有的海域地震動(dòng)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜標(biāo)定方法存在參數(shù)不穩(wěn)定性以及效率不高的問(wèn)題，難以滿(mǎn)足海洋工程抗震設(shè)計(jì)的精確性和高效性需求。因此運(yùn)用一種高穩(wěn)定性能的粒子群算法來(lái)標(biāo)定海域地震動(dòng)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜顯得尤為重要?，F(xiàn)需要一種技術(shù)來(lái)解決海域地震動(dòng)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的標(biāo)定參數(shù)中存在不穩(wěn)定性且效率不高的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本方案的目的是提供一種基于粒子群算法標(biāo)定海域地震動(dòng)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的方法，以解決海域地震動(dòng)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的標(biāo)定參數(shù)中存在不穩(wěn)定性且效率不高的問(wèn)題。

2、為了達(dá)到上述目的，本方案提供一種基于粒子群算法標(biāo)定海域地震動(dòng)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的方法，包括以下步驟：

3、s1：給定粒子群算法agpso的初始化粒子群參數(shù)：粒子群規(guī)模、粒子維度、迭代次數(shù)、慣性權(quán)重；

4、s2：根據(jù)式(1)和式(2)分別隨機(jī)初始化每個(gè)粒子的位置和速度：

5、xi,d＝(xmax,d-xmin,d)×rand(0,1)+xmin,d?????(1)

6、vi,d＝0.3×rand(0,1)?(2)

7、式中：xmin,d和xmax,d由特征參數(shù)x的取值范圍給定；rand(0,1)是0到1之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)；xi,d為第i個(gè)粒子的位置；vi,d為第i個(gè)粒子的速度；特征參數(shù)x的表達(dá)式為x＝[t0，tg，td，βmax，γ]；d為粒子維度；

8、s3：設(shè)置評(píng)價(jià)函數(shù)，假設(shè)評(píng)價(jià)函數(shù)的初始取值為正無(wú)窮，個(gè)體的評(píng)價(jià)函數(shù)為pbs(i)＝+∞；群體的評(píng)價(jià)函數(shù)值為gbs＝+∞；

9、s4：每一次迭代時(shí)，根據(jù)每個(gè)粒子的位置計(jì)算每個(gè)位置粒子的適應(yīng)度函數(shù)f(xi,d)：

10、

11、式中：β′(t)為標(biāo)定后海域地震動(dòng)的放大系數(shù)譜；β(t)為真實(shí)海域地震動(dòng)的放大系數(shù)譜；tm為海域地震動(dòng)的放大系數(shù)譜的最大周期。

12、s5：更新每個(gè)粒子的個(gè)體最優(yōu)適應(yīng)度和位置。每一次迭代時(shí)，如果個(gè)體的評(píng)價(jià)函數(shù)值pbs(i)大于每個(gè)粒子的適應(yīng)度函數(shù)值f(xi,d)，那么個(gè)體的評(píng)價(jià)函數(shù)值pbs(i)就等于適應(yīng)度函數(shù)值f(xi,d)，即為每個(gè)粒子的個(gè)體最優(yōu)適應(yīng)度，該位置即為每個(gè)粒子的個(gè)體最優(yōu)位置，即pbesti,d＝xi,d；

13、s6：更新群體最優(yōu)適應(yīng)度和位置；每一次迭代時(shí)，如果群體的評(píng)價(jià)函數(shù)值gbs大于每個(gè)粒子的適應(yīng)度函數(shù)值f(xi,d)，那么群體的評(píng)價(jià)函數(shù)值gbs就等于適應(yīng)度函數(shù)值f(xi,d)，即為群體最優(yōu)適應(yīng)度，該位置即為群體最優(yōu)位置，即gbest＝xi,d；

14、s7：自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整，提升粒子在局部和全局的搜索能力；

15、s8：更新速度和位置；粒子的速度和位置將被更新，以便在搜索空間中移動(dòng)：

16、

17、式中：t為當(dāng)前的迭代步；w為權(quán)重系數(shù)。

18、s9：邊界處理；如果粒子移動(dòng)超出定義的搜索空間邊界，則取臨近的界限值；根據(jù)邏輯術(shù)語(yǔ)來(lái)判斷是否超出定義的搜索空間邊界，即：

19、

20、進(jìn)一步，步驟s1之前還對(duì)所選取的海域地震動(dòng)記錄進(jìn)行處理；計(jì)算得到海域地震動(dòng)的加速度反應(yīng)譜。

21、進(jìn)一步，對(duì)海域地震動(dòng)記錄進(jìn)行處理的步驟是：a1：對(duì)海域地震動(dòng)記錄進(jìn)行處理。

22、

23、式中：ax(ti)、ay(ti)、az(ti)為原始記錄的x、y、z分量；r為記錄的旋轉(zhuǎn)矩陣；ae(ti)、an(ti)、au(ti)為原始記錄的ew、ns、ud分量；ti為記錄的步長(zhǎng)。

24、對(duì)旋轉(zhuǎn)后的記錄進(jìn)行去均值、基線校正、滅尖、補(bǔ)零和用四階butterworth帶通濾波器進(jìn)行濾波處理。

25、a2：計(jì)算得到海域地震動(dòng)的動(dòng)力放大系數(shù)譜。

26、進(jìn)一步，第一拐點(diǎn)周期t0、場(chǎng)地特征周期tg、衰減變化周期td、放大系數(shù)譜的平臺(tái)段值βmax、衰減指數(shù)γ等特征參數(shù)的取值范圍，即上限值為xmax,d＝[1，3，6,10，2]，下限值為xmin,d＝[0.02，0.1，1.5，1，0.1]。

27、進(jìn)一步，步驟s4中，需要確定標(biāo)定的海域地震動(dòng)的放大系數(shù)譜形式：

28、

29、進(jìn)一步，步驟s7中，調(diào)整自適應(yīng)參數(shù)，權(quán)重系數(shù)w和學(xué)習(xí)因子c1和c2，每一次迭代時(shí)，權(quán)重系數(shù)w按下式自適應(yīng)更新：

30、

31、式中：t為當(dāng)前的迭代步；t為總的需要迭代的步數(shù)；wmax和wmin為初始給定最大和最小權(quán)重值。學(xué)習(xí)因子c1和c2需要在不同分組中來(lái)掌控在局部和全局的搜索能力，即：

32、第一組：c1＝1.95-2t1/3t1/3；c2＝2t1/3t1/3+0.05；

33、第二組：c1＝(-2t3/t3)+2.5；c2＝(2t3/t3)+0.5；

34、第三組：c1＝1.95-2t1/3/t1/3；c2＝(2t3/t3)+0.5；

35、第四組：c1＝(-2t3/t3)+2.5；c2＝2t1/3/t1/3+0.05；

36、每一次迭代時(shí)，當(dāng)c1大于c2時(shí)，粒子具有更高的局部搜索能力。相反，當(dāng)c2大于c1時(shí)，粒子具有更好全局搜索能力。在c1和c2之間尋找良好的平衡，并將它們視為動(dòng)態(tài)系數(shù)，來(lái)提高反應(yīng)譜標(biāo)定算法的高穩(wěn)定性和魯棒性。

37、本方法標(biāo)定的海域地震動(dòng)反應(yīng)譜具有穩(wěn)定性高和效率高的特點(diǎn)。本方法運(yùn)用不同分組的學(xué)習(xí)因子c1和c2來(lái)掌控粒子在局部和全局的搜索能力，不僅提高了穩(wěn)定性，還減少了運(yùn)輸?shù)拇螖?shù)，有效地減少了計(jì)算的時(shí)間，使標(biāo)定海域地震動(dòng)設(shè)計(jì)譜更加擬合真實(shí)的海域地震動(dòng)反應(yīng)譜。

38、本方案具備高穩(wěn)定性，通過(guò)自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化的粒子群算法，提高了算法在搜索過(guò)程中的穩(wěn)定性，減少了參數(shù)波動(dòng)對(duì)結(jié)果的影響。本方案中算法能夠快速收斂到最優(yōu)解，提高了標(biāo)定過(guò)程的效率，同時(shí)保證了結(jié)果的精確性。算法能夠適應(yīng)不同的海域地震動(dòng)特性，具有較好的泛化能力。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整權(quán)重系數(shù)和學(xué)習(xí)因子，算法在面對(duì)復(fù)雜多變的搜索空間時(shí)表現(xiàn)出良好的魯棒性。通過(guò)優(yōu)化的粒子群算法減少了迭代次數(shù)，有效減少了計(jì)算時(shí)間，提高了標(biāo)定過(guò)程的效率。通過(guò)更符合實(shí)際海域地震動(dòng)特性的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，提高了海洋工程抗震設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。