工程建筑中結(jié)構(gòu)振動控制策略與性能優(yōu)化研究

摘要：工程建筑中結(jié)構(gòu)振動控制和性能優(yōu)化是一個重要而復(fù)雜的領(lǐng)域。在地震和其他振動性荷載的背景下，建筑結(jié)構(gòu)需要具備卓越的抗震性能，以確保人員的安全和結(jié)構(gòu)的完整性。主要闡述了結(jié)構(gòu)振動控制的相關(guān)策略方法，介紹了結(jié)構(gòu)振動性能優(yōu)化需考慮的性能指標(biāo)、優(yōu)化算法及性能優(yōu)化策略，強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)振動控制策略與性能優(yōu)化相結(jié)合的重要性與必要性，指出考慮結(jié)構(gòu)振動因素的多目標(biāo)優(yōu)化策略具有一定先進(jìn)性與可行性，并基于實(shí)例分析驗證了綜合評估優(yōu)化后的減震控制方案在高層建筑中的的實(shí)用性與有效性。

關(guān)鍵詞：工程建筑結(jié)構(gòu)振動優(yōu)化算法地震

中圖分類號：TU35

ResearchonStructuralVibrationControlStrategiesandPerformanceOptimizationinEngineeringConstruction

ZHENGChunyu

CriminalInvestigationPoliceUniversityofChina，Shenyang，LiaoningProvince，110854China

Abstract：Structuralvibrationcontrolandperformanceoptimizationinengineeringconstructionisanimportantandcomplexfield.Inthecontextofearthquakesandotherseismicloads，buildingstructuresneedtohaveexcellentseismicperformancetoensurepersonnelsafetyandstructuralintegrity.Thispaperexpoundstherelevantstrategiesandmethodsofstructuralvibrationcontrol，introducestheperformanceindicators，optimizationalgorithmsandperformanceoptimizationstrategiesthatneedtobeconsideredforstructuralvibrationperformanceoptimization，emphasizestheimportanceandnecessityofcombiningstructuralvibrationcontrolstrategieswithperformanceoptimization.Itpointsoutthatthemulti-objectiveoptimizationstrategyconsideringstructuralvibrationfactorsisprogressivenessandfeasible.Basedoncaseanalysis，thepracticalityandeffectivenessoftheoptimizedseismiccontrolschemeaftercomprehensiveevaluationinhigh-risebuildingsareverified.

KeyWords：Engineeringconstruction;Structuralvibration;Optimizationalgorithm;Earthquake

地震作為一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，其破壞性和不可預(yù)測性給工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工帶來了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法通常采用增加質(zhì)量、剛度和強(qiáng)度等手段來提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，但這可能導(dǎo)致顯著的成本增加，且不能滿足多變的地震荷載條件。因此，研究結(jié)構(gòu)振動控制策略已成為改善結(jié)構(gòu)性能和減小地震響應(yīng)的一種關(guān)鍵途徑。同時，性能優(yōu)化方法在工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。性能優(yōu)化的目標(biāo)是通過提高結(jié)構(gòu)的性能，來實(shí)現(xiàn)更安全和高效的結(jié)構(gòu)設(shè)計。基于此，本研究將結(jié)構(gòu)振動控制策略與性能優(yōu)化相結(jié)合，旨在探索更有效、經(jīng)濟(jì)和可行的方法，以提高工程結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1結(jié)構(gòu)振動控制策略概述

結(jié)構(gòu)振動控制是工程領(lǐng)域中一個重要的研究方向，旨在減小建筑物、橋梁和其他工程結(jié)構(gòu)在地震、風(fēng)荷載等外部力作用下的振動響應(yīng)，從而提高結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)振動控制策略主要可以分為以下幾種。

1.1主動控制

主動控制是通過向結(jié)構(gòu)施加一個與原有振動相反的激勵，從而抵消結(jié)構(gòu)的振動。這種控制方式需要使用傳感器實(shí)時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動情況，并將監(jiān)測到的信號反饋給控制器，控制器根據(jù)反饋信號計算出需要施加的相反激勵，然后驅(qū)動執(zhí)行器產(chǎn)生相應(yīng)的激勵。主動控制的效果較好，但需要外部能源，且設(shè)備和實(shí)施成本較高。

1.2被動控制

被動控制是通過在結(jié)構(gòu)中添加阻尼材料、隔震裝置等被動元件，從而吸收或消散結(jié)構(gòu)的振動能量。這種控制方式不需要外部能源，但需要選擇合適的被動元件，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。被動控制的成本較低，但在某些情況下可能無法完全消除結(jié)構(gòu)的振動。

1.3混合控制

混合控制是將主動控制和被動控制相結(jié)合的一種控制方式。這種控制方式可以綜合利用兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，提高控制效果。但混合控制的實(shí)施難度較大，需要協(xié)調(diào)好主動和被動兩種控制方式的關(guān)系。

1.4半主動控制

半主動控制是一種介于主動控制和被動控制之間的控制方式。這種控制方式通過調(diào)整某些參數(shù)或阻尼器的剛度或阻尼，從而改變結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，以達(dá)到減小或消除結(jié)構(gòu)振動的目的。半主動控制的成本和實(shí)施難度較低，具有較好的應(yīng)用前景。

1.5智能控制

智能控制是指利用智能材料或智能系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動控制的一種方式。智能材料如形狀記憶合金、壓電陶瓷等，可以根據(jù)外部刺激產(chǎn)生相應(yīng)的變形或振動，從而對結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能控制。智能控制的精度和自適應(yīng)性較高，但材料的制備和加工難度較大，成本也較高。

1.6振動隔離

振動隔離是指通過隔離結(jié)構(gòu)與外部振源的振動傳遞，從而減小結(jié)構(gòu)振動的一種方式。這種控制方式需要在結(jié)構(gòu)與外部振源之間設(shè)置隔振器或隔振墊等隔離元件，以減小傳遞到結(jié)構(gòu)的振動能量。振動隔離的效果取決于隔離元件的性能和設(shè)計，對于高頻振源的隔離效果較好。

1.7能量消減

能量消減是指通過吸收、轉(zhuǎn)化或消散結(jié)構(gòu)中的振動能量，從而減小結(jié)構(gòu)振動的幅度和能量的一種方式。這種控制方式可以通過在結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼材料、能量吸收器或能量轉(zhuǎn)化裝置等來實(shí)現(xiàn)。能量消減的效果取決于所選裝置的性能和設(shè)計，適用于各種頻率的振動能量消減。

以上是對結(jié)構(gòu)振動控制策略的簡要概述，不同的策略適用于不同的應(yīng)用場景和需求，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇和優(yōu)化設(shè)計。

2結(jié)構(gòu)振動性能評估和優(yōu)化

2.1結(jié)構(gòu)振動性能指標(biāo)

結(jié)構(gòu)振動的性能評估和優(yōu)化是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的一項至關(guān)重要的任務(wù)，它旨在確保建筑物、橋梁和其他工程結(jié)構(gòu)在不同外部荷載情況下能夠以安全和可靠的方式運(yùn)行。在這一領(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)被廣泛采用，以量化和評估結(jié)構(gòu)的行為、性能和穩(wěn)定性。以下是一些核心性能指標(biāo)。

2.1.1最大位移

最大位移是用來衡量結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下的撓度或變形程度的指標(biāo)。它通常表示結(jié)構(gòu)中各個關(guān)鍵點(diǎn)或部位的最大位移數(shù)值。通過監(jiān)測最大位移，工程師能夠了解結(jié)構(gòu)的撓度情況，以確定是否在安全和可控的范圍內(nèi)。

2.1.2最大加速度

最大加速度是指結(jié)構(gòu)中某一點(diǎn)或某一部位在外部荷載作用下達(dá)到的最大加速度數(shù)值。這一性能指標(biāo)用來評估結(jié)構(gòu)的響應(yīng)速度和抗震性能。工程師需要確保結(jié)構(gòu)在地震等動態(tài)荷載下的最大加速度在可接受的范圍內(nèi)，以保障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.1.3塑性鉸形成

塑性鉸是指結(jié)構(gòu)中的一種非彈性形變區(qū)域，通常在地震等大荷載作用下形成。評估塑性鉸的形成對于確定結(jié)構(gòu)是否在極端負(fù)載下發(fā)生非可逆性破壞至關(guān)重要。這一指標(biāo)提供了關(guān)于結(jié)構(gòu)性能和安全性的關(guān)鍵信息，有助于制定改進(jìn)和修復(fù)策略。

這些性能指標(biāo)的使用使工程師能夠全面了解結(jié)構(gòu)的行為和性能，從而確保結(jié)構(gòu)在各種荷載情況下都能夠正常運(yùn)行。這有助于提高結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性，同時也為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)提供了基礎(chǔ)。通過精確評估這些性能指標(biāo)，工程師能夠制定出更加安全和可持續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和維護(hù)策略，以滿足不同項目的需求和挑戰(zhàn)。

2.2優(yōu)化算法

結(jié)構(gòu)振動性能的優(yōu)化需要借助各種優(yōu)化算法，以改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計、確保結(jié)構(gòu)在振動環(huán)境下的性能卓越。以下是3種常用的優(yōu)化算法。

2.2.1遺傳算法

是一種受到自然選擇和遺傳機(jī)制啟發(fā)的優(yōu)化方法，通過模擬種群內(nèi)個體的遺傳、交叉和變異來搜索最佳解決方案。遺傳算法廣泛用于多參數(shù)、多目標(biāo)的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化問題，具有全局搜索能力，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計和性能優(yōu)化。

2.2.2粒子群優(yōu)化算法

模擬了鳥群或魚群尋找食物的過程，每個“粒子”代表一個潛在的解決方案，它們根據(jù)自身和鄰居的經(jīng)驗來調(diào)整位置。粒子群優(yōu)化在結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、振動控制和拓?fù)鋬?yōu)化中具有廣泛應(yīng)用，具有自適應(yīng)性和高度可調(diào)性，適合處理各種結(jié)構(gòu)問題。

2.2.3模擬退火算法

受到固體材料退火過程的啟發(fā)，通過模擬材料在高溫和低溫條件下的性能變化來進(jìn)行優(yōu)化。它適用于結(jié)構(gòu)配置、拓?fù)湓O(shè)計和材料屬性的優(yōu)化，具有平衡全局搜索和局部搜索的能力，用于處理復(fù)雜非線性結(jié)構(gòu)問題。

2.3性能優(yōu)化策略

在結(jié)構(gòu)振動性能的評估和優(yōu)化過程中，采用合適的性能優(yōu)化策略對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化是至關(guān)重要的。這些策略的選擇和應(yīng)用可以顯著影響結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)和整體性能。

2.3.1設(shè)計變量選擇

設(shè)計變量是在性能優(yōu)化中可以調(diào)整的參數(shù)，它們決定了結(jié)構(gòu)的特征。合理選擇設(shè)計變量是性能優(yōu)化的基礎(chǔ)。這些設(shè)計變量可以包括結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀、材料屬性、連接方式等。工程師需要在問題定義階段仔細(xì)考慮并選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計變量，以確保優(yōu)化問題的合理性和可行性。正確選擇設(shè)計變量可以在有限的計算資源內(nèi)獲得最佳性能提升。

2.3.2約束條件考慮

在性能優(yōu)化中，必須考慮各種約束條件，以確保所提出的解決方案是實(shí)際可行的。這些約束條件可以包括預(yù)算限制、安全系數(shù)、規(guī)范要求、可制造性和可維護(hù)性等。約束條件的考慮是為了確保結(jié)構(gòu)不僅在性能上得到提升，還要滿足各種實(shí)際需求和規(guī)定。優(yōu)化問題的解必須同時滿足性能目標(biāo)和約束條件，這需要工程師在優(yōu)化過程中進(jìn)行權(quán)衡和調(diào)整。

2.3.3多目標(biāo)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)振動性能評估通常涉及多個性能指標(biāo)，如最大位移、最大加速度、塑性鉸形成等。這些指標(biāo)可能是相互競爭的，改進(jìn)一個性能指標(biāo)可能會對其他指標(biāo)產(chǎn)生負(fù)面影響。多目標(biāo)優(yōu)化策略旨在找到一組解決方案，其中沒有一個優(yōu)于其他解決方案，而是在不同性能指標(biāo)之間實(shí)現(xiàn)了平衡。這要求采用多目標(biāo)優(yōu)化算法，例如：多目標(biāo)遺傳算法或多目標(biāo)粒子群優(yōu)化，以尋找一系列可行的解決方案，以便工程師選擇最適合其項目需求的解決方案。

3結(jié)構(gòu)振動控制策略與性能優(yōu)化的結(jié)合

結(jié)構(gòu)振動控制策略與性能優(yōu)化之間存在密切的關(guān)聯(lián)，因為它們共同致力于提高結(jié)構(gòu)的性能和穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)振動控制策略的主要目標(biāo)是減小結(jié)構(gòu)在振動條件下的位移、速度和加速度，從而降低振動對結(jié)構(gòu)的影響，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和舒適性。性能優(yōu)化策略則旨在通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的設(shè)計、材料和幾何參數(shù)，使其滿足特定需求和約束條件。

3.1結(jié)構(gòu)振動控制策略影響性能優(yōu)化

結(jié)構(gòu)振動控制策略在性能優(yōu)化中的應(yīng)用有助于改善結(jié)構(gòu)的抗震性能、穩(wěn)定性和舒適性。通過精心選擇和調(diào)整控制策略，工程師可以找到最適合特定項目需求的解決方案，從而實(shí)現(xiàn)更安全和可持續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。首先，結(jié)構(gòu)振動控制策略可以顯著改善結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能。通過引入控制裝置，如質(zhì)點(diǎn)阻尼器、液體阻尼器、主動控制系統(tǒng)或其他控制策略，工程師可以實(shí)時調(diào)整結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，以減小最大位移和最大加速度。這直接有助于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，減小振動對結(jié)構(gòu)的不利影響。這就意味著結(jié)構(gòu)在地震或其他動力荷載下，可以更好地保持完整性和穩(wěn)定性，從而提高了結(jié)構(gòu)的可靠性。其次，控制策略的選擇和參數(shù)設(shè)置對性能優(yōu)化至關(guān)重要。不同的控制策略可能會對性能指標(biāo)產(chǎn)生不同的影響。例如：質(zhì)點(diǎn)阻尼器可以有效減小結(jié)構(gòu)的振動幅度，從而提高穩(wěn)定性，但其質(zhì)量可能會對整體重量造成負(fù)擔(dān)。液體阻尼器能夠控制較大振動振幅的結(jié)構(gòu)，但設(shè)計復(fù)雜。因此，工程師必須精心選擇控制策略，并根據(jù)具體項目需求調(diào)整策略參數(shù)，以在性能優(yōu)化過程中取得最佳結(jié)果。最后，結(jié)構(gòu)振動控制策略的引入使性能優(yōu)化問題更加復(fù)雜。不再只需要考慮靜態(tài)性能，還需要同時考慮結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)。這要求在優(yōu)化算法中加入控制策略的考慮，以實(shí)現(xiàn)性能和穩(wěn)定性的雙重目標(biāo)。這增加了問題的復(fù)雜性，但也為工程師提供了更多靈活性，以滿足多個性能指標(biāo)和約束條件。

3.2多目標(biāo)優(yōu)化中結(jié)構(gòu)振動控制策略的作用

多目標(biāo)優(yōu)化是一種關(guān)鍵的方法，用于權(quán)衡不同性能指標(biāo)以找到最佳結(jié)構(gòu)解決方案。在這個過程中，結(jié)構(gòu)振動控制策略發(fā)揮著重要的作用，以確保結(jié)構(gòu)在不同方面的性能都能得到改進(jìn)。第一，多目標(biāo)優(yōu)化涉及多個性能指標(biāo)，例如最大位移、最大加速度、材料利用率等。這些性能指標(biāo)通常與結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)密切相關(guān)，因為振動會影響結(jié)構(gòu)的位移和加速度。結(jié)構(gòu)振動控制策略可以通過減小振動振幅來改善這些性能指標(biāo)，從而對多目標(biāo)優(yōu)化問題產(chǎn)生積極影響。第二，結(jié)構(gòu)振動控制策略的參數(shù)可以被引入多目標(biāo)優(yōu)化中作為優(yōu)化變量。這意味著工程師可以調(diào)整控制策略的參數(shù)，以在不同性能指標(biāo)之間找到平衡點(diǎn)。例如：通過調(diào)整質(zhì)點(diǎn)阻尼器或液體阻尼器的阻尼系數(shù)，工程師可以在提高結(jié)構(gòu)的抗震性能的同時，盡量減小材料利用率。這種靈活性允許工程師根據(jù)具體項目需求和優(yōu)先級來定制結(jié)構(gòu)的最佳性能。第三，結(jié)構(gòu)振動控制策略在多目標(biāo)優(yōu)化中的作用在于幫助工程師克服性能指標(biāo)之間的沖突。不同性能指標(biāo)可能存在權(quán)衡關(guān)系，改善一個性能指標(biāo)可能對其他性能指標(biāo)產(chǎn)生不利影響。結(jié)構(gòu)振動控制策略的應(yīng)用可以有助于平衡這些沖突，找到最適合特定項目需求的解決方案，這有助于提高工程項目的質(zhì)量和可持續(xù)性。

4高層建筑減震控制性能的實(shí)用分析

4.1工程概況

本工程為地上辦公樓建筑，結(jié)構(gòu)形式為型鋼混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，房屋建筑高度為245m共56層（不包含屋面局部凸出部分）。首層層高為13.04m；標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2m；房屋第14層、第28層、第42層均為避難層，避難層層高均為6.3m（避難層設(shè)有環(huán)帶桁架，未設(shè)置伸臂桁架）。擬建場區(qū)抗震設(shè)防烈度為8°，設(shè)計基本地震加速度為0.2g，場地類別為Ⅲ類，設(shè)計地震分組為第一組，場地特征周期為0.45s，房屋設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，結(jié)構(gòu)固有阻尼比為0.04。房屋標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖見圖1。

由于工程所處地區(qū)地震烈度較高，故擬通過增設(shè)消能裝置減輕房屋結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的塑性損傷，減少主體結(jié)構(gòu)震后修復(fù)的費(fèi)用和時間，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

4.2減震控制方案

在超高層建筑框架核心筒結(jié)構(gòu)體系中，往往通過在外框與核心筒之間設(shè)置剛性伸臂桁架來提高結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度。但剛性伸臂桁架的設(shè)置會使結(jié)構(gòu)部分樓層形成剛度和剪力突變，因此，在地震高烈度設(shè)防區(qū)使用剛性伸臂桁架仍存在一定的爭議。黏滯阻尼伸臂桁架則是將傳統(tǒng)伸臂桁架與外框柱的剛性連接斷開，將黏滯阻尼器豎向布置在伸臂桁架與外框架柱之間的一種消能減震技術(shù)。采用該技術(shù)不僅可以降低加強(qiáng)層剪力和剛度劇烈突變帶來的不利影響，亦可以有效降低地震作用。

考慮到黏滯阻尼器雖無靜剛度，但在動力荷載作用下存在一定的動力剛度，因此采用本減震方案時取消了原設(shè)有的環(huán)帶桁架。經(jīng)計算比選，本方案在房屋第14層、第28層、第42層三個加強(qiáng)層中共布置了24個黏滯伸臂桁架。其平面布置圖詳見圖3，黏滯阻尼器的力學(xué)性能詳見表1。

4.3減震效果分析

減震控制方案的實(shí)施為上述高層建筑結(jié)構(gòu)帶來了顯著的效果。通過設(shè)置黏滯阻尼伸臂桁架，建筑的抗震性能得到了一定提高。這一減震控制方案有助于吸收地震能量，降低結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，使建筑結(jié)構(gòu)在罕遇地震情況下能夠更好地保持穩(wěn)定，減少了結(jié)構(gòu)損傷的風(fēng)險。此外，減震控制方案還對降低維修和修復(fù)成本產(chǎn)生了積極影響。綜上所述，選擇合適的減震控制方案可以有效提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能、降低結(jié)構(gòu)變形，同時也可為使用者提供了更有效的安全保障，證明了減震控制方案的實(shí)用性和有效性。

5結(jié)語

總體來說，結(jié)構(gòu)振動控制策略與性能優(yōu)化在高層建筑抗震設(shè)計中起著重要作用。結(jié)構(gòu)振動控制策略旨在減小地震等振動條件下的位移、速度和加速度，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和舒適性，從而提高抗震性能。性能優(yōu)化策略則關(guān)注結(jié)構(gòu)的設(shè)計、材料和幾何參數(shù)，以滿足特定需求和約束條件。結(jié)構(gòu)振動控制策略的引入增加了性能優(yōu)化問題的復(fù)雜性，因為需要同時考慮結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，但也提供了更多靈活性，以滿足多個性能指標(biāo)和約束條件。多目標(biāo)優(yōu)化方法在權(quán)衡不同性能指標(biāo)時發(fā)揮關(guān)鍵作用，結(jié)構(gòu)振動控制策略可以幫助工程師平衡這些指標(biāo)，以滿足項目需求。特定減震控制方案，如黏滯阻尼伸臂桁架，可以顯著提高高層建筑的抗震性能，降低損傷和維修成本，增加結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性。因此，結(jié)構(gòu)振動控制策略與性能優(yōu)化之間的密切協(xié)作對于確保高層建筑在地震等振動條件下的安全性和可持續(xù)性至關(guān)重要。這種綜合考慮有助于工程師找到最佳的結(jié)構(gòu)解決方案，提高工程項目的質(zhì)量和可靠性。

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