可控刚度桩筏基础鲁棒设计方法及鲁棒控制原理

To meet the reliability and economy, ensuring high-rise building piled raft foundation safe and stable in the whole life cycle of building is the ultimate goal of piled raft foundation design theory. Conventional design theory of piled raft foundation based on determine parameters is difficult to meet the above requirements. The controllable stiffness piled raft foundation proposed by the applicant can effectively optimize the value and distribution of support stiffness of pile and soil, ensuring the pile-raft system in good working condition. Compared to conventional piled raft foundation, the controllable stiffness piled raft foundation is a great progress, whereas it is still unable to meet the above requirements. This project introduces the concept of systematic robustness, and a robust design method of piled raft foundation with controllable stiffness is proposed. This concept takes full account of the impact on the safety and performance of infrastructure that load distribution and the uncertainty of statistical characteristics of geotechnical parameters causes, and ensures the reliability and robustness of piled raft foundation in the whole life cycle. The concept of robust control of piled raft foundation is also put forward and a set of robust control system will be developed. And real-time monitoring, feedback and active intervention of piled raft foundation will be achieved to reduce or even eliminate the impact of uncertain factors and emergency of the piled raft foundation in the life cycle. This project is expected to make the piled raft foundation of high-rise building in the optimal working state of the objective nearly in the whole life cycle.

满足可靠性和经济性同时保证高层建筑桩筏基础在建筑物全寿命周期的安全与稳定，是桩筏基础设计理论研究的最终目标。基于确定参数设计的现有桩筏基础设计理论难以满足上述要求，申请人提出的可控刚度桩筏基础可有效调整优化桩土支承刚度大小和分布，保证桩筏系统处于良好工作状态并有较佳经济性，比常规桩筏基础更加接近上述目标，但仍无法满足着眼于建筑物全寿命周期安全与稳定的要求。本项目引入系统鲁棒性的概念，提出可控刚度桩筏基础鲁棒设计方法，充分考虑荷载分布及岩土参数统计特征不确定性对基础结构安全与使用性能的影响，保证桩筏基础在全寿命周期可靠性和鲁棒性的同时兼顾经济性；提出桩筏基础鲁棒控制的概念，研制成套鲁棒控制系统，实现对桩筏基础的实时监测、反馈与主动干预，降低甚至消除桩筏基础在全寿命期不确定因素及突发情况对其造成的影响。本项目研究有望使高层建筑桩筏基础真正接近或实现在全生命周期始终处于最优工作状态的目标。

现有桩筏基础设计理论多采用确定参数，在保证高层建筑桩筏基础在全寿命周期可靠性和安全性的情况下，设计往往难以兼顾经济性，制约了桩筏基础的进一步发展。为解决上述问题，在上一个基金项目研究成果的基础上，本项目引入系统鲁棒性的概念，通过室内试验、理论分析和数值模拟等研究手段，对桩筏基础的鲁棒设计理论及智能控制方法进行了研究，研究内容和主要结果如下：①自主研制了一种结构简单、性能可靠、加工方便、经济合理的半主动式刚度调节装置，为桩筏基础的智能控制提供了硬件基础；②明确了半主动式刚度调节装置在上部荷载作用下的承载特性，优化了半主动式刚度调节装置的控制方法，为后续半主动式刚度调节装置的工程应用提供真实有效的理论数据参考；③依据桩筏基础共同作用理论和岩土工程鲁棒性理论，分别提出了基于被动式可控刚度桩筏基础的鲁棒设计方法和基于主动式可控刚度桩筏基础鲁棒设计方法，建立了考虑系统鲁棒性兼顾经济性的桩筏基础鲁棒设计数学模型，有效减少了岩土参数不确定性对可控刚度桩筏基础的影响；④结合高层建筑桩筏基础的工作特点，提出了基于遗传算法的多目标智能优化算法，编制形成了具有自主知识产权的高层建筑桩筏基础鲁棒设计优化程序，典型算例计算结果表明经计算程序智能优化后的桩筏基础设计方案可得到最优的沉降结果；⑤依据编制的高层建筑桩筏基础鲁棒设计优化程序，模拟并分析了可控刚度桩筏基础性能演化全过程，对差异沉降与调节装置使用数量进行多目标智能优化，结果表明，采用优化后的刚度调节装置设置方案不仅可使得可控刚度桩筏基础的不均匀沉降大幅减小，还兼顾了经济性。通过本项目的实施，完善了桩筏基础鲁棒设计理论及智能控制方法，初步实现了高层建筑桩筏基础真正接近或实现在全生命周期始终处于最优工作状态的目标，对高层建筑桩筏基础设计理论的发展起到了促进作用。