综述：储罐和船舶的地震分析：国际规范和指南的全面综述

《Structures》：Seismic analysis of tanks and vessels: A comprehensive review of international codes and guidelines

基于全生命周期成本优化的地震设计框架研究，提出融合近似损失估算与高效约束处理策略的PBEE-2方法，降低80%计算成本，验证三维五层钢框架结构优化后重量和损失减少20%，SAR算法最优。

　　

阿米尔·沙巴尼（Amir Shabani）| 贝赫鲁兹·阿斯加里安（Behrouz Asgarian）| 默赫拉德·阿夫塔比亚扎尔（Mehrdad Aftabiazar）

伊朗卡恩特（Qaenat）博佐尔格梅尔大学（Bozorgmehr University of Qaenat）土木工程系

摘要

本研究提出了一种基于生命周期成本的优化框架，用于结构的抗震设计，该框架是在第二代基于性能的地震工程（PBEE-2）方法论框架内开发的。设计问题被构建为一个单目标优化问题，旨在最小化生命周期成本。为了降低地震损失估算所需的高计算需求，研究人员基于楼层分析法（story-based method）和FEMA P-58标准开发了一种近似损失估算方法。此外，还提出了一种新的约束处理方法，与传统惩罚函数方法相比，该方法可将计算成本降低80%以上。该方法无需参数调整，可以与其他任何优化算法结合使用。通过一个三维五层钢框架的最优设计案例验证了该框架的有效性，并与传统的设计方法进行了直接比较。结果表明，这些优化后的结构不仅在结构重量和预期地震损失方面减少了约20%，而且其倒塌概率也更低。这些设计还表现出更高的刚度、强度和延性。本文比较了几种元启发式算法在解决优化问题时的性能，其中SAR算法表现出更好的优化效果。研究还探讨了构件分组对最优设计的影响。总体而言，所提出的框架为PBEE-2框架内的生命周期成本优化提供了一种实用且计算效率高的工具。

引言

当前的建筑规范主要关注生命安全，旨在防止在设计强度范围内的地震中结构发生倒塌。然而，它们在减少地震事件的经济影响方面提供的指导有限[1]。1994年的北岭地震（Northridge）和1995年的神户地震（Kobe）表明，结构和非结构损坏造成的经济损失可能非常严重。这强调了采用一种超越安全标准的更全面的地震韧性方法的重要性[2]、[3]。为了解决这些局限性，由太平洋地震工程研究（PEER）中心开发的第二代基于性能的地震工程（PBEE-2）框架引入了一种概率方法来量化地震性能。PBEE-2系统地考虑了与地面运动、结构响应和损伤评估相关的不确定性，从而能够更全面地评估建筑性能[4]。FEMA P-58指南详细介绍了该框架的实施方法，提供了估算修复成本、停机时间和潜在死亡人数等决策变量的结构化方法[5]。

尽管PBEE-2具有显著优势，但其实际应用仍面临挑战。这主要是由于性能目标的复杂性以及非线性动态分析的高计算需求。该框架内的传统设计方法通常依赖于手动试错迭代，这种方法耗时且并不总能产生最具成本效益的结果。因此，基于性能的设计优化（PBDO）作为一种自动化设计过程的方法受到了关注，旨在实现结构安全与经济效率之间的实际平衡[6]。

近年来，许多研究致力于通过PBDO方法来最小化初始成本[7]、二氧化碳排放[8]、生命周期成本[9]和系统功能[10]，同时考虑了确定性和概率性约束[12]。Ganzerli等人提出了一种在地震荷载下优化钢筋混凝土框架尺寸的方法，这一早期贡献为后续基于性能的设计优化发展奠定了基础[13]。Alimoradi等人专注于在FEMA-350规定的不同地震危险水平下，最小化受约束的建造成本[14]。Gencturk将结构优化应用于钢筋混凝土（RC）和纤维增强混凝土（ECC）框架，以评估生命周期成本，展示了LCC集成在抗震设计中的潜力[15]。Gholizadeh提出了一种基于性能的钢结构抗震设计方法，该方法结合了改进的萤火虫算法和神经网络，有效预测了倒塌分析结果并减少了计算负担[6]。Li等人引入了一种使用改进的遗传算法的优化框架，用于在风荷载作用下高层建筑的结构设计，同时满足侧向位移和楼层加速度的约束[16]。Ayyash和Hejazi提出了一种用于配备减震器的结构设计的混合元启发式多目标优化算法[17]。Sanati和Karamodin表明，基于生命周期成本的钢结构设计（尤其是带有金属减震器的结构）相比传统规范设计，可以大幅降低地震和建造成本[18]。

生命周期成本分析（LCCA）将长期经济因素纳入抗震设计，旨在实现安全与经济成本之间的平衡。最近的研究越来越多地应用LCCA来评估结构在其整个使用寿命期间的经济性能[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。特别是，多项桥梁研究展示了生命周期思维和基于性能的评估如何提高经济和抗震性能，考虑了残余损伤、地形效应和结构材料等因素[24]、[25]、[26]。在多项结构设计优化研究中，建筑物的生命周期成本被作为目标函数[27]、[28]。Ahmadie Amiri和Estekanchi开发了一种基于生命周期成本的优化框架，用于带有屈曲约束支撑的双层钢结构，突显了LCC驱动的抗震设计的有效性[29]。Laguardia等人提出了使用耗散支撑系统的基于生命周期的最优改造干预措施，说明了LCC驱动的设计在结构改进中的更广泛应用[30]。将基于生命周期成本的优化与元启发式算法结合使用在计算上要求很高，特别是当需要非线性时域分析（NTHA）时，正如FEMA P-58所规定的那样。尽管计算负担较大，NTHA仍能提供最精确的地震荷载下结构响应评估[31]。在过去十年中，进行了多项研究以减轻生命周期成本优化的计算需求。Asadi和Hajirasouliha基于第一代基于性能的地震工程开发了一种钢筋混凝土框架的生命周期成本优化框架。通过应用均匀损伤分布策略，他们的方法显著减少了楼层间的位移，同时仍满足了所有必要的性能要求[32]。Sarcheshmehpour和Estekanchi研究了地震生命周期成本在高层钢框架管状建筑最优设计中的作用和重要性。他们采用了耐久时间（ET）方法（一种特定形式的时间域分析）来估算结构响应[33]。Gholizadeh和Hasan?ebi提出了一种基于神经网络的钢结构生命周期成本优化方法，显著减少了优化过程所需的计算工作量[31]。Rodriguez等人提出了一种全面的钢结构抗震设计优化框架。为了解决非线性分析所需的高计算成本，他们的方法结合了克里金（Kriging）元模型和高效的采样策略[34]。

为了降低基于生命周期成本的优化的计算需求，已经开发了多种方法，如替代模型[34]、人工智能[12]、[31]和简化的非线性结构分析[33]。虽然这些方法具有潜力，但它们在不同结构系统中的通用性往往受到限制。这些方法通常需要针对特定结构进行大量数据集的训练。此外，大多数研究是在第一代PBEE框架内评估生命周期成本的，而该框架缺乏第二代PBEE框架所提供的概率严谨性和基于决策的标准。为了解决这些挑战，本文提出了一种在PBEE-2方法框架内基于生命周期成本的计算高效优化框架。所提出的框架结合了基于楼层分析法（story-based loss estimation method）和FEMA P-58的近似损失估算方法，以及一种新颖的约束处理策略。与基于神经网络的方法不同，这种方法不需要在预生成的数据集上进行训练，优化过程也不需要计算密集的非线性动态（时域）分析，同时仍能保持符合规范的性能。这种方法支持与多种元启发式优化算法的结合使用，为抗震设计中的生命周期成本优化提供了更高效和通用的解决方案。

部分摘录

优化问题的构建

生命周期成本（LCC）是指结构在其整个使用寿命期间的总预期成本。这不仅包括初始建造成本，还包括由于可能的地震损坏和后续维修而产生的所有预期损坏成本。这种全面的评估有助于确定哪种抗震设计是最具成本效益的选择。“结构的生命周期成本（LCC）可以表示为：$\mathrm{LCC}=C_{\mathrm{初始成本}}+{\mathrm{损失}}_{}$

总体框架

太平洋地震工程研究（PEER）提出了一种基于地震危险性和结构响应的概率方法，用于估算地震造成的损坏和经济损失。在FEMA P-58方法中，这种方法被用来计算建筑物的经济损失。

PEER在损失计算中分别考虑了四个不同领域的不确定性影响，这些领域包括地面运动危险性、结构响应、修复成本等

示例结构设计

在本节中，选择了一个五层六跨的钢框架结构作为评估所提出框架的案例研究。该结构的层高和跨度分别为3.2米和5米。沿周边布置了一种特殊的弯矩框架系统（SMF）以抵抗侧向荷载，并设计用于办公用途。值得注意的是，只有两个周边框架抵抗地震引起的侧向力。所有其余的梁都采用铰接连接。中间柱子和四个

元启发式算法的比较

图9比较了SAR、ACO和PSO算法在基于生命周期成本的结构优化设计中的收敛情况。在本研究中进行的所有优化中，初始种群都是随机生成的。为了减少初始种群对结果的影响，每种算法独立执行了三次，图9中的收敛曲线代表了这三次运行的平均值。为了进行这种比较，

结论

本研究提出了一种基于生命周期成本的抗震设计优化框架，该框架是在FEMA P-58中描述的第二代基于性能的地震工程（PBEE-2）框架内开发的。设计问题被构建为一个单目标优化问题，旨在最小化生命周期成本。为了降低计算需求，引入了一种新的约束处理策略和一种结合FEMA P-58与楼层分析法的方法。

CRediT作者贡献声明

贝赫鲁兹·阿斯加里安（Behrouz Asgarian）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、概念化。默赫拉德·阿夫塔比亚扎尔（Mehrdad Aftabiazar）：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、调查。阿米尔·沙巴尼（Amir Shabani）：撰写 – 原始草稿、可视化、验证、软件开发、资源管理、方法论、调查、形式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。