基于证据推理与粒子群优化算法的自适应框架：用于钢结构与输电塔的多源相对地震损伤评估

《Engineering Structures》：An evidential reasoning and PSO-based adaptive framework for multi-source relative seismic damage assessment of steel structures and transmission towers

　　**摘要**为应对震后识别输电塔等钢结构危险构件与易损区域的需求，本文提出了一种融合证据推理与粒子群优化的多属性相对损伤评价框架。该框架无需预训练和人工干预，仅依据多源数据自适应地生成评价规则，从而实现震后结构损伤评估与危险位置识别。首先，通过多层钢框架台架试验和有限元模型验证了所提流程的可行性。评价所得高相对损伤区域与实验观测到的梁柱节点及柱端裂缝、断裂位置总体一致。随后将该框架扩展至输电塔结构。结果表明，在各种地震动激励下，塔身中下部、塔腿及过渡连接区域呈现较高相对损伤水平。此外，结合Jousselme距离与塔段指标，实现了从构件尺度到分段划分的多层级相对损伤判定。所提方法具有较强通用性，可为钢结构震后危险构件筛选与应急修复优先级确定提供参考。**引言**输电塔作为电力系统的核心支撑结构，是能源生产与消费之间的连接枢纽。凭借其精确承力导线、确保绝缘安全和适应复杂地形的核心功能，输电塔构建了稳定高效的输电网络，是保障能源安全和社会经济稳定运行的关键基础设施。此类结构不仅要满足承载力、稳定性和耐久性的基本要求，还必须抵御地震等极端地质灾害的影响。地震引发的输电塔运行故障可能中断输电系统，造成巨大经济损失，并延缓震后恢复与重建进度[1]。全球范围内众多输电塔-线故障案例——如1995年阪神地震[2]、1999年集集地震[3]、2008年汶川地震[4]和2015年尼泊尔加德满都地震[5]——已充分验证了这一结论。因此，震后准确快速评估输电塔损伤状态，对于确保灾后应急修复高效推进具有重要意义。目前，台架试验是研究输电塔结构响应和破坏模式的主要实验方法[6,7]。毋庸置疑，台架试验是深入理解结构地震响应的最可靠途径；然而，高昂的实验成本和复杂的操作流程严重制约了其广泛应用。相比之下，数值模拟技术能以较低的计算成本实现令人满意的分析精度，全球研究人员在该领域积累了丰富的研究成果。Alminhana等人[8]采用梁单元进行有限元分析，通过简化输电塔模型，提出了一种能够模拟输电塔动力响应并准确预测结构破坏的非线性分析方法。Meek等人[9,10]采用空间钢框架模型分析输电塔动力响应，推导了考虑初应力和几何非线性的单元刚度矩阵，并观察到实验数据与数值模拟结果高度一致。其他学者采用简化的输电塔有限元模型研究了空间变化激励[11]、近断层地震动[12]和地震入射角[13]等因素对输电塔地震响应的影响机制。Asgarian等人[14]、Zheng等人[15]和Li等人[16]的研究得出共同结论：输电塔倒塌可归因于主要受压构件的屈曲破坏。Nie等人[17]在LS-DYNA中开发了考虑损伤累积的混合硬化本构模型UMAT子程序。IDA结果表明，损伤累积会加剧输电塔的塑性响应，加速结构倒塌，并识别出第二段为塔最脆弱部分。近年来，地震灾害频发推动了结构抗震设计与评估的快速发展[18–21]。同时，震后输电塔系统的危险位置识别、分布判定及结构易损性分析也成为热门研究课题[22]，相关研究成果不断涌现。Xie等人[23]和Tian等人[24]通过数值蒙特卡洛模拟构建了输电塔地震易损性曲线，直观展示了不同震级地震下输电塔的破坏概率。Tian等人[25,26]深入研究输电塔钢构件的力学性能，建立了考虑损伤累积和破坏准则的非线性本构模型，进一步分析了塔结构倒塌机制、损伤分布特征及薄弱位置。Liu等人[27]提出了一种改进的数据驱动方法，集成了应变功率谱密度传递函数、逆傅里叶变换和能量积分。数值与实验验证表明，该方法能准确定位受损结构构件，且具有出色的抗噪性能。Zhang等人[28]提出了一种基于CorV的两步损伤识别方法，通过CVAC量化向量变化并结合一阶差分实现损伤定位。该方法无需频域转换，可直接利用时域响应高精度识别输电塔中的损伤位置。Guo等人[29]提出了一种相关模态云推理算法，通过构建云推理系统并经数值模拟验证，该算法能有效识别局部或系统性损伤，其性能优于残余力向量法和残余力云推理算法。尽管上述方法在输电塔损伤与破坏评估方面取得一定成效，但仍存在明显局限。地震易损性曲线的建立严重依赖预设损伤阈值、对数正态分布假设和大量样本数据集。传统损伤力学模型多建立在理想本构关系和均质假设之上，存在参数标定复杂和泛化能力弱等不足。近年来，基于数据驱动技术或人工智能的预测模型不断涌现；然而相关研究仍处于初期阶段，尚未建立完善的应用框架。本文的核心研究目标是提出一种多属性决策分析框架。该框架消除了预训练流程和人工干预的需求，具有突出优势：利用证据推理理论[30,31]处理评价过程中的随机性和模糊信息。采用粒子群优化算法自主搜索证据推理所得最优评价方案。同时，实现多源损伤数据的自适应融合，并自动生成对应各属性的地震相对损伤程度评价规则。最终可实现覆盖从局部构件到分段结构的多层级相对损伤判定。**章节摘要****基本框架**本文首先通过小规模分层钢框架试件的台架试验验证所提多属性证据推理—粒子群优化评价流程在钢结构损伤识别中的基本可行性。在此基础上，将所提框架扩展至输电塔震后场景。结合宏观塔响应指标，实现对构件尺度及……（原文截断）**实验模型与方案**依据相关抗震设计规范，设计并制作了多层钢框架试验结构，如图3所示。框架平面尺寸为400 mm × 400 mm。自下而上各层层高分别为220 mm、260 mm、380 mm和190 mm，总高1050 mm。钢框架梁和柱均采用方截面，梁壁厚约1.5 mm，柱壁厚为2 mm。为避免……（原文截断）**输电塔模型构建与评估结果**前述多层钢框架台架试验主要旨在验证所提多属性证据推理—粒子群优化评价流程的基本可行性，即确认"获取多源响应指标—通过证据推理融合—利用粒子群优化生成权重与阈值—输出相对损伤等级"这一工作流程能有效应用于钢……（原文截断）**结论**本文建立了融合证据推理与粒子群优化的多源数据相对损伤评价框架，并将其应用于多层钢框架和输电塔结构。主要结论总结如下：所提框架能够基于多源响应指标自适应生成损伤等级关键阈值和属性权重，减少了人工预定义评价规则带来的主观性。**CRediT作者贡献声明**王楚轩：撰写——初稿、可视化、软件、方法论、数据整理、概念设计。孙彬：撰写——审阅与编辑、监督、形式分析。吴百健：资源、项目管理、资金获取。**伦理规范合规性**无。**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本文所述工作由中国国家重点研发计划（2024YFC3016900）提供资金支持。**利益冲突**我们声明在本稿件中不存在利益冲突。王楚轩 | 孙彬 | 吴百健东南大学中巴"一带一路"重大基础设施智能防灾联合实验室，南京，210096，中国