本發(fā)明屬于大直徑海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具體涉及一種大直徑海上風(fēng)電中空夾層鋼管混凝土組合單樁基礎(chǔ)截面優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L，海上風(fēng)電逐漸成為可再生能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。然而，近海風(fēng)電資源的開發(fā)逐漸趨于飽和，深遠(yuǎn)海風(fēng)電的開發(fā)潛力備受關(guān)注。但深遠(yuǎn)海環(huán)境更加復(fù)雜，對風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的性能提出了更高要求。傳統(tǒng)單樁基礎(chǔ)因其設(shè)計(jì)和承載能力有限，難以適應(yīng)深海環(huán)境下的負(fù)荷需求。為此，一種新型的大直徑海上風(fēng)電中空夾層鋼管混凝土組合單樁基礎(chǔ)應(yīng)運(yùn)而生，旨在提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，為深海風(fēng)電提供更加可靠的支撐形式。

2、然而，如何在滿足結(jié)構(gòu)性能的前提下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性與高效性，成為這一新型單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。通過對截面尺寸進(jìn)行合理優(yōu)化，設(shè)計(jì)者不僅可以顯著提高結(jié)構(gòu)的抗彎性能和整體穩(wěn)定性，從而更有效地抵御海洋風(fēng)荷載等外部作用，同時(shí)還能減少材料用量，降低施工成本，使中空夾層鋼管混凝土組合單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)更具經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)性。目前，尚未有針對大直徑海上風(fēng)電中空夾層鋼管混凝土組合單樁基礎(chǔ)截面優(yōu)化的研究，亟需進(jìn)一步探索和創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對深水區(qū)海域傳統(tǒng)的單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單一，抗彎性能和穩(wěn)定性不足，無法滿足設(shè)計(jì)使用要求的問題，本發(fā)明提出一種大直徑海上風(fēng)電中空夾層鋼管混凝土組合單樁基礎(chǔ)截面優(yōu)化方法，可在提高基礎(chǔ)抗彎性能和穩(wěn)定性的同時(shí)有效控制材料用量。

2、該方法先對鋼混組合單樁基礎(chǔ)的截面參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化編碼，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，選擇設(shè)計(jì)變量范圍并生成初始種群，確保每個(gè)個(gè)體代表不同的截面組合方案；再計(jì)算鋼混組合單樁基礎(chǔ)每個(gè)截面組合方案的適應(yīng)度值，并采用多目標(biāo)pareto分層篩選進(jìn)行評估，同時(shí)結(jié)合自適應(yīng)選擇機(jī)制，在算法迭代的前至20％代數(shù)內(nèi)，使用輪盤賭選擇以增強(qiáng)種群多樣性；當(dāng)?shù)螖?shù)超過設(shè)定代數(shù)時(shí)，切換至錦標(biāo)賽選擇，以重點(diǎn)保留高適應(yīng)度個(gè)體，進(jìn)一步推動(dòng)種群的優(yōu)化；最終對選擇出的鋼混組合單樁基礎(chǔ)截面組合方案進(jìn)行交叉操作生成新的截面組合方案，并通過設(shè)定的變異概率對部分個(gè)體的截面參數(shù)進(jìn)行微小隨機(jī)變異；重復(fù)適應(yīng)度評估、自適應(yīng)選擇、交叉和變異操作，經(jīng)過多代進(jìn)化，最終獲得抗彎性能良好且內(nèi)外鋼管總質(zhì)量適中的鋼混組合單樁基礎(chǔ)截面組合方案。本發(fā)明結(jié)合遺傳算法，通過截面尺寸優(yōu)化提高大直徑海上風(fēng)電中空夾層鋼管混凝土組合單樁基礎(chǔ)的抗彎性能和穩(wěn)定性，使基礎(chǔ)在滿足工程要求的前提下，能夠有效控制材料用量。

3、本發(fā)明解決其技術(shù)問題具體采用的技術(shù)方案是：

4、一種大直徑海上風(fēng)電中空夾層鋼管混凝土組合單樁基礎(chǔ)截面優(yōu)化方法：首先對鋼混組合單樁基礎(chǔ)的截面參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化編碼，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，選擇設(shè)計(jì)變量范圍并生成初始種群，以確保每個(gè)個(gè)體代表不同的截面組合方案；再計(jì)算鋼混組合單樁基礎(chǔ)每個(gè)截面組合方案的適應(yīng)度值，并采用多目標(biāo)pareto分層篩選進(jìn)行評估；最終對選擇出的鋼混組合單樁基礎(chǔ)截面組合方案進(jìn)行交叉操作生成新的截面組合方案，并通過設(shè)定的變異概率對部分個(gè)體的截面參數(shù)進(jìn)行微小隨機(jī)變異；重復(fù)適應(yīng)度評估、交叉和變異操作，經(jīng)過多代進(jìn)化，最終獲得符合抗彎性能和內(nèi)外鋼管總質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的鋼混組合單樁基礎(chǔ)截面組合方案。

5、進(jìn)一步地，在采用多目標(biāo)pareto分層篩選進(jìn)行評估的過程中，結(jié)合自適應(yīng)選擇機(jī)制，在算法迭代的前至20％代數(shù)內(nèi)，使用輪盤賭選擇以增強(qiáng)種群多樣性；當(dāng)?shù)螖?shù)超過設(shè)定代數(shù)時(shí)，切換至錦標(biāo)賽選擇，以重點(diǎn)保留高適應(yīng)度個(gè)體，進(jìn)一步推動(dòng)種群的優(yōu)化；重復(fù)適應(yīng)度評估、自適應(yīng)選擇、交叉和變異操作進(jìn)行迭代。

6、進(jìn)一步地，所述對鋼混組合單樁基礎(chǔ)的截面參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化編碼，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，選擇設(shè)計(jì)變量范圍具體包括：

7、以鋼管外直徑d外、鋼管內(nèi)直徑d內(nèi)、外管壁厚度t外、內(nèi)管壁厚度t內(nèi)作為設(shè)計(jì)變量；

8、將鋼混組合單樁基礎(chǔ)的目標(biāo)函數(shù)設(shè)為最小化內(nèi)外鋼管總質(zhì)量和最大化抗彎剛度，約束條件為基礎(chǔ)的徑厚比、長細(xì)比、空心率、軸心受壓穩(wěn)定承載力和受彎承載力：

9、內(nèi)外鋼管總質(zhì)量：

10、

11、l為鋼管長度；ρs為鋼管密度；

12、抗彎剛度：

13、

14、式中，es為鋼管彈性模量，ec為混凝土彈性模量；

15、徑厚比：

16、

17、

18、式中，fy為鋼材的屈服強(qiáng)度；

19、長細(xì)比：

20、

21、空心率：

22、0.25≤η≤0.75?(7)

23、

24、式中，ak為空心部分面積，asc為內(nèi)鋼管與混凝土總面積；

25、軸心受壓穩(wěn)定承載力約束：

26、

27、式中：n為軸心壓力設(shè)計(jì)值，nu為鋼管混凝土構(gòu)件軸心受壓承載力設(shè)計(jì)值，n0為中空鋼管混凝土短柱的軸心受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)承載力值，為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，λsc為構(gòu)件長細(xì)比，λsc為構(gòu)件正則長細(xì)比；

28、受彎承載力約束：

29、m≤mu?(13)

30、mu＝γmwscfsc?(14)

31、

32、式中：m為彎矩設(shè)計(jì)值，mu為鋼管混凝土構(gòu)件軸心受彎承載力設(shè)計(jì)值，fsc為中空鋼管混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，γm為塑性發(fā)展系數(shù)，r0為等效圓半徑，rci為空心半徑，wsc為受彎構(gòu)件截面模量，θ為套箍系數(shù)。

33、進(jìn)一步地，所述生成初始種群具體為：初始化遺傳算法參數(shù)，包括種群規(guī)模、最大進(jìn)化代數(shù)、交叉概率和變異概率，以確保優(yōu)化過程的多樣性和全局搜索能力。

34、進(jìn)一步地，所述計(jì)算鋼混組合單樁基礎(chǔ)每個(gè)截面組合方案的適應(yīng)度值，并采用多目標(biāo)pareto分層篩選進(jìn)行評估的過程中：

35、對每個(gè)截面組合個(gè)體，分別計(jì)算內(nèi)外鋼管總質(zhì)量和抗彎剛度的值，并將所有個(gè)體的內(nèi)外鋼管總質(zhì)量和抗彎剛度分別標(biāo)準(zhǔn)化；采用非支配排序方法，將個(gè)體按內(nèi)外鋼管總質(zhì)量和抗彎剛度的綜合表現(xiàn)進(jìn)行分層，每一層均去除無法同時(shí)在內(nèi)外鋼管總質(zhì)量和抗彎剛度上滿足要求的個(gè)體；

36、對于每一層的個(gè)體，根據(jù)內(nèi)外鋼管總質(zhì)量和抗彎剛度的標(biāo)準(zhǔn)化值計(jì)算一個(gè)加權(quán)組合適應(yīng)度值：

37、f(ω)＝ω1·f1+ω2·(-f2)?(17)

38、式中，ω1、ω2為權(quán)重，ω1+ω2＝1；f1、f2分別為內(nèi)外鋼管總質(zhì)量和抗彎剛度，f2添加負(fù)號是為了把兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)都轉(zhuǎn)化為最小化問題，便于模型的求解。

39、進(jìn)一步地，在每一代的更新中，優(yōu)先保留pareto前20％層級的高適應(yīng)度個(gè)體，以確保優(yōu)化方向的穩(wěn)定性。同時(shí)，為避免過早收斂，允許處于后80％層級的中低適應(yīng)度個(gè)體以一定概率進(jìn)入下一代種群，從而維持種群多樣性。每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值會(huì)返回種群，使其在后續(xù)選擇中基于適應(yīng)度值進(jìn)行自適應(yīng)選擇。

40、一種大直徑海上風(fēng)電中空夾層鋼管混凝土組合單樁基礎(chǔ)截面優(yōu)化系統(tǒng)，包括：

41、數(shù)字化編碼模塊，用于對鋼混組合單樁基礎(chǔ)的截面參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化編碼，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，選擇設(shè)計(jì)變量范圍；

42、迭代進(jìn)化模塊，用于生成初始種群，以確保每個(gè)個(gè)體代表不同的截面組合方案；并計(jì)算鋼混組合單樁基礎(chǔ)每個(gè)截面組合方案的適應(yīng)度值，并采用多目標(biāo)pareto分層篩選進(jìn)行評估；最終對選擇出的鋼混組合單樁基礎(chǔ)截面組合方案進(jìn)行交叉操作生成新的截面組合方案，并通過設(shè)定的變異概率對部分個(gè)體的截面參數(shù)進(jìn)行微小隨機(jī)變異；重復(fù)適應(yīng)度評估、交叉和變異操作，經(jīng)過多代進(jìn)化，最終獲得符合抗彎性能和內(nèi)外鋼管總質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的鋼混組合單樁基礎(chǔ)截面組合方案。

43、進(jìn)一步地，：所述迭代進(jìn)化模塊在采用多目標(biāo)pareto分層篩選進(jìn)行評估的過程中，結(jié)合自適應(yīng)選擇機(jī)制，在算法迭代的前至20％代數(shù)內(nèi)，使用輪盤賭選擇以增強(qiáng)種群多樣性；當(dāng)?shù)螖?shù)超過設(shè)定代數(shù)時(shí)，切換至錦標(biāo)賽選擇，以重點(diǎn)保留高適應(yīng)度個(gè)體，進(jìn)一步推動(dòng)種群的優(yōu)化；重復(fù)適應(yīng)度評估、自適應(yīng)選擇、交叉和變異操作進(jìn)行迭代。

44、一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如上所述的大直徑海上風(fēng)電中空夾層鋼管混凝土組合單樁基礎(chǔ)截面優(yōu)化方法的步驟。

45、一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上所述的大直徑海上風(fēng)電中空夾層鋼管混凝土組合單樁基礎(chǔ)截面優(yōu)化方法的步驟。

46、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明及其優(yōu)選方案采用內(nèi)外鋼管總質(zhì)量和抗彎剛度雙目標(biāo)優(yōu)化形式，能夠確?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)在滿足抗彎性能的同時(shí)最大限度地減少材料使用，提升整體工程的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。在更進(jìn)一步的優(yōu)選方案當(dāng)中，采用自適應(yīng)選擇機(jī)制，使得在優(yōu)化過程中能夠根據(jù)種群的狀態(tài)靈活調(diào)整選擇策略，在不同階段保持種群的多樣性并防止過早收斂。確保算法在不同進(jìn)展階段始終保持高效的搜索能力，從而大幅提升優(yōu)化過程的效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性。