基于成本-碳排放的混凝土结构多目标优化方法.pdf
《基于成本-碳排放的混凝土结构多目标优化方法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于成本-碳排放的混凝土结构多目标优化方法.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、优化目标选择约束计算模型优化算法选用目标计算模型前沿面最优解集用户决策工程项目建议目标约束设定变量分析选用工程项目实际情况优化模型优化计算优化结果优化准备DOI:10.13905/ki.dwjz.2023.6.001基于成本-碳排放的混凝土结构多目标优化方法MULTI-OBJECTIVE OPTIMIZATION METHOD OF CONCRETE STRUCTURE BASED ON THE COSTAND CARBON EMISSION CONDITIONS王洁1,洪桂堂2,夏晋1(1.浙江大学建筑工程学院,杭州 310058;2.浙江湖杭高速公路有限公司,浙江 湖州 313000)WA
2、NG Jie1,HONG Guitang2,XIA Jin1(1.College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;2.Zhejiang Huhang ExpresswayCo.,Ltd.,Zhejiang Huzhou 313000,China)【摘要】为科学分析混凝土结构可靠性、经济性和可持续性目标之间的关系,文中提出一种适用于混凝土结构的全寿命周期失效概率、经济成本和年均碳排放多目标优化分析方法。通过案例分析发现,可以有效解决混凝土结构设计决策时多个目标之间难以均
3、衡考虑的问题,同时,相比两目标优化方法,三目标优化方法得到的最优解集更加全面可靠,可以为混凝土结构合理设计提供参考。【关键词】混凝土结构;多目标优化;成本;碳排放【中图分类号】TU37【文献标志码】A【文章编号】1001-6864(2023)6-0001-06Abstract:A multi-objective optimization analysis method is proposed to analyze the relationship between reliability,economy,and sustainability objectives of concrete stru
4、ctures,which effectively resolves the challenge of balancing multiple objectives in the design decision of concrete structures through the case analysis.Moreover,thethree-objective optimization method provides a more comprehensive and reliable optimal solution set compared tothe two-objective optimi
5、zation method,which may provide the reference for the rational design of concrete structures.Key words:concrete structure;multi-objective optimization;cost;carbon emission基金项目 国家自然科学基金面上项目(52278278);浙江省交通运输厅科技计划项目(202227)0引言在混凝土结构的发展过程中,人们对结构的需求从单一的安全性拓展为可靠性、经济性和可持续性等1,2。随着分析目标的增加,传统方法不再适用,基于多个目标的优化
6、分析方法成为研究的热点问题之一。近年来,有关混凝土结构多目标优化的研究逐渐丰富,其中,王竹君等3,4将“三废”带来的环境损害货币化为环境成本,对全寿命周期成本和结构失效概率进行两目标优化分析。吴柯娴5,6针对结构的可靠性和可持续性进行两目标优化,对社会影响采用货币化处理,建立基于环境和社会成本的全寿命成本计算模型。Sabatino等7则基于决策者风险态度偏好提出了一种改进的公路桥梁结构的全寿命周期维护多目标优化框架。Barone等8从结构失效概率模型出发,研究了结构服役期间不同维修计划对实现多目标优化中不同性能目标的适用性及优缺点。Ghasemof等9则基于强度和位移边界控制条件,将全寿命周期
7、成本按初始成本和全寿命地震损伤成本分解为两个目标进行优化。因此,如何在混凝土结构的全寿命周期内统筹考虑可靠性、经济性和可持续性是亟待深入研究的问题。文中以结构失效概率、全寿命周期经济成本和全寿命周期年均碳排放作为研究目标建立多目标优化计算模型,并以一般环境下某混凝土公共建筑为例,计算分析多目标优化结果,验证文中提出的多目标优化方法的可行性。1多目标优化分析方法在进行混凝土结构多目标优化计算时,需要根据工程项目的实际情况进行优化准备,优化准备主要包图1多目标优化分析框架1低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300研究目标失效概率全寿命周期经济成本全寿命周期年均碳排放影响因素耐久性设计混
8、凝土材料生产钢筋保护措施混凝土构造设计水灰比设计掺合料设计混凝土强度选用不锈钢筋环氧树脂钢筋钢筋直径保护层厚度附加防腐措施维护或修复时点维护或修复方式维护或修复次数研究变量耐久性维护或修复策略括优化目标、变量以及目标约束的选用,在优化准备完成后才能建立符合工程项目特征和用户需求的多目标优化模型。根据建立的优化模型选用合适的优化算法便可以计算求得组成Pareto优化前沿面的最优解集,用户可以基于求得的解集进行决策,并最终得到适用于工程项目的建议解,框架如图1所示。考虑到混凝土结构全寿命周期可靠性、经济性和可持续性的相互关系,选择具有代表性的失效概率Pf、全寿命周期经济成本CLC和全寿命周期年均碳
9、排放E作为分析的目标组合,可以得到多目标分析计算模型的基本形式和约束条件:Minf1=Pf()x1,x2,x3,x4,x5f2=CLC()x1,x2,x3,x4,x5f3=E()x1,x2,x3,x4,x5(1)s.t.f1 Pf,limf2 CLC,maxf3 Emaxx1,min x1 x1,maxx2,min x2 x2,max(2)式中,x1xn为影响三个目标的研究变量组合;x1,minxn,min、x1,maxxn,max分别为研究变量的约束下限和约束上限;Pf,lim、CLC,max、Emax分别为失效概率、全寿命周期经济成本和全寿命周期年均碳排放的约束上限。多目标优化分析的研究变
10、量不能与三个目标都产生联系时,三目标优化便失去意义,实际上只对与变量有关的目标进行了优化。因此,在研究变量选择时应按照目标的相关性进行筛选。与此同时,混凝土结构的耐久性能是全寿命设计的核心内容,基于结构耐久性设计和服役期耐久性维护修复策略进行结构全寿命周期的多目标研究有着重要的意义和价值,因此,选用耐久性设计和维护修复策略作为研究变量见图2。研究变量选择后,多目标优化的下一个研究问题即约束条件的设置问题,约束条件分为两类,一部分是研究变量的约束条件;另外一部分则是研究目标的约束条件。两类约束条件的设置通常与规范标准规定和业主用户需求有关。例如,当选择混凝土强度和混凝土保护层厚度作为变量条件时,
11、处于-C类特定案例环境中设计使用寿命为100年的混凝土建筑结构,其混凝土强度根据规范要求最低应不小于C40,梁、柱构件的混凝土保护层则不应小于49mm,同时还应考虑施工当地的混凝土泵送水平,如果建设当地没有可以提供高强混凝土的条件,那么混凝土强度作为研究变量则存在取值上限。当选择耐久性维护或修复策略中的次数和维修效果作为变量条件时,对于不同的结构,其变量取值范围则与业主可以付出的服役期维护和修复成本有关,在内陆建设的普通民用建筑在服役期间内维护和修复的次数非常有限,通常只有等到结构已经出现局部开裂等病害后,才会进行处理,此时的维护和修复措施采用时间已经超过结构的初锈阶段,带来的提升效果有限,但
12、海上建设的大型桥梁结构则通过设计原位腐蚀监测系统定期采用阴极保护等耐久性提升措施,其维护和修复频次高,介入时间早。因此,变量的约束条件是综合工程项目实际情况根据业主的控制需求和行业规范标准要求综合考虑得到的参数,需要因地制宜对变量约束条件进行选择和设置。研究目标的约束条件则主要是业主控制要求的反映,研究目标的约束条件即对失效概率、全寿命周期经济成本和全寿命周期年均碳排放的约束,建设方对结构安全性的最低要求将决定结构失效概率的最低取值;而对混凝土结构成本的要求一般是预算、概算价格不能超过投资估算价格,即全寿命成本应有上限;对结构碳排放的要求则是尽量不高于国家行业部门或企业自身建议的阈值,即全寿命
13、碳排放也有上限。因此,在满足社会基本要求的同时,目标约束的设置具有主观性。文中将结合具体案例说明多目标优化方法的应用效果。2案例分析2.1工程概况工程为多功能公共建筑,采用钢筋混凝土框架结构,建筑面积5884.3m2,建筑高度18.5m(局部34.4m),结构安全等级为二级,设计使用年限50年。项目服役环境为内陆一般环境。2.2多目标优化模型建立2.2.1结构建模利用YJK软件对案例混凝土结构进行整体建模,得到用于分析的基本结构模型,建模情况如图3所示。图2多目标优化研究变量分解22.2.2目标计算模型建模完成后,在保持构件尺寸不变的情况下,通过改变案例结构的混凝土强度和保护层厚度,得到不同参
14、数下的结构配筋总量。按现有类似工业与民用建筑所用混凝土材料,案例混凝土强度的取值范围为C25C55,考虑混凝土保护层大于50mm后需要增加钢筋网片作为构造措施进行防剥落和防裂保护,将大幅增加钢筋网片的使用量和现场施工难度,文中混凝土保护层的取值范围为2050mm。由此,通过拟合得到混凝土强度、保护层厚度与总钢筋用量的关系:s=337.1-0.0073x1x2-0.7724x1+0.0216x2+0.0112x12+0.0012x22(3)式中,s为案例结构总钢筋用量;x1为案例结构的混凝土强度;x2为案例结构的混凝土保护层厚度。在此基础上进一步考虑采用环氧树脂钢筋对案例结构总钢筋用量的影响,根
15、据美国标准ASTMA 755和英国标准BS 7295的产品质量要求,并通过调研环氧树脂钢筋生产和使用公司的使用数据发现,相比于普通钢筋,环氧树脂涂层钢筋的黏结锚固强度在一般条件下降低10%左右,在最不利条件下降低约20%。为确保涂层钢筋与混凝土之间能有效黏结,一般情况下,设计施工时的锚固和搭接长度相比普通钢筋应提高至少25%。此结果于GB 500102010 混凝土结构设计规范 8.3.2条规定中得到佐证。至此,按梁柱钢筋占总钢筋量的比例以及锚固搭接数量进行估算,案例结构总钢筋用量的计算模型可以进一步表达:s=(337.1-0.0073x1x2-0.7724x1+0.0216x2+0.0112
16、x12+0.0012x22)(1+0.0163x3)(4)式中,x3为环氧树脂涂层钢筋的使用情况,使用时取1,不使用则取0。(1)失效概率计算模型。根据混凝土结构一般环境下的结构碳化劣化模型,参照GB/T 513352019既有混凝土结构耐久性评定标准 中给出的参数取值,以最不利构件的情况计算,案例混凝土结构的取值参数如表1所示。进一步考虑环氧树脂涂层钢筋的影响,根据美国Life-365软件中的取值,环氧涂层钢筋可延长结构使用寿命20年左右。文中考虑当混凝土结构采用环氧树脂钢筋后,主要可以有效延长混凝土的开始锈蚀耐久年限,当环氧树脂涂层破坏后,钢筋的劣化情况与普通钢筋接近,所以可以进一步得到考
17、虑环氧树脂涂层钢筋采用后的开始锈蚀耐久年限。由此,案例混凝土结构的开始锈蚀耐久年限ti、锈胀开裂耐久年限tcr和锈胀裂缝宽度限值耐久年限td可表示为式(5)式(7)的形式。在耐久性设计的基础上,进一步考虑耐久性维护或修复带来的影响,文中假设在案例混凝土结构的三个劣化阶段,分别开展x4,x5,x6次相同可靠度提升效果分别为x7,x8,x9的耐久性维护或修复措施,则可以最终修正后的三阶段耐久年限ti,tc,td表达为式(8)式(10),其中i,cr,d为结构的开始锈蚀、锈胀开裂和锈胀裂缝宽度限值时的可靠度。(2)全寿命周期经济成本计算模型。考虑改变混凝土强度、保护层厚度以及采用环氧树脂涂层钢筋时,
18、均会引起全寿命周期成本的变化,其中,采用环氧树脂涂层钢筋时,除了材料费用增加外,还会引起施工费用的增加,在整个结构的施工过程中,由于环氧树脂涂层钢筋采用增加的施工成本约使整个施工成本提高约25%。商品混凝土和钢筋的价格按市场调研取值,如表2所示。ti=32.5052()104.4x1-1.368-0.5799()0.0614x2+0.1331+20 x3(5)图3案例混凝土结构基本模型表1案例混凝土结构参数取值参数KmHdHTHRHHmtr取值0.941.271.201.301.501.90参数FdFTFRHFmtd0取值1.221.181.241.207.04注:Km为局部环境对锈蚀开始耐久
19、年限的影响系数。HT、Hd、HRH、Hm分别为温度、钢筋直径、湿度和局部环境对锈胀开裂耐久年限的影响系数。tr、td0分别为各系数为1.0时构件开始锈蚀至锈胀开裂的时间以及开始锈蚀至锈胀裂缝宽度达限值的时间;Fd、FT、FRH、Fm分别为钢筋直径、温度、湿度、局部环境对锈胀裂缝宽度限值耐久年限的影响系数。表2主要材料价格项目C25混凝土/m3C50混凝土/m3HRB400级普通钢筋/tHRB400级环氧涂层钢筋/t价格/元535630420065003低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300tcr=ti+5.6464(0.0726x2-0.0583)0.0011x12.2220(6
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 成本 排放 混凝土结构 多目标 优化 方法
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。