荷載作用下室外鋼樓梯震動監測與控制關鍵技術研究

田登科 孫涵 劉梓鵬

(1 深圳深港科技創新合作區發展有限公司；2 中建八局第一建設有限公司）

隨著城市化進程的加速和建筑高度的增加，超高層鋼結構建筑的數量不斷增加。室外鋼樓梯作為鋼結構建筑的重要組成部分，因其良好的可塑性、抗腐蝕性、施工便捷性和美觀性等特點，被廣泛應用于建筑物的外立面和防火通道等方面。然而，荷載作用下的室外鋼樓梯易受風荷載和行人荷載等因素的影響，可能出現震動，從而影響建筑物的安全性和穩定性。

在國內外，已經有一些研究致力于探究室外鋼樓梯的震動特性和控制方法。其中，震動監測技術是評估室外鋼樓梯安全性和穩定性的重要手段之一，可以實時獲取樓梯的振動數據，并提供基礎數據支撐建筑結構的設計和改進。另外，針對荷載作用下的室外鋼樓梯的震動控制問題，也涌現出了一些研究成果，例如采用阻尼器和隔震器等控制方法來降低樓梯的振動幅值。

然而，目前關于荷載作用下室外鋼樓梯震動監測與控制方面的研究還相對較少，尤其是針對復雜多變的外部環境因素和不確定性的影響下的室外鋼樓梯震動監測與控制關鍵技術仍需要進一步研究。因此，本文旨在研究荷載作用下室外鋼樓梯震動監測與控制的關鍵技術，探究可行的監測方案和控制方法，為提高室外鋼樓梯的安全性和穩定性提供科學依據。

1 室外鋼樓梯結構參數分析

1.1 室外鋼樓梯結構特點

室外鋼樓梯作為一種常見的結構形式，在超高層建筑中廣泛應用。與室內鋼樓梯相比，室外鋼樓梯要具有較高的抗風能力和承載能力，不易進行維護和保養。室外鋼樓梯的主要結構部件包括樓梯踏板、樓梯扶手、樓梯框架等。

1.2 結構參數分析

在進行室外鋼樓梯的結構設計時，需要對樓梯框架的結構參數進行合理的分析和選擇。常見的結構參數包括材料類型、截面形狀、截面尺寸、梁柱比、樓梯踏板尺寸等。

材料類型的選擇通常基于結構的承載能力和使用環境。一般來說，室外鋼樓梯的主要材料為碳素結構鋼或合金結構鋼，其強度和韌性較高，適用于承受較大荷載和氣候環境變化較大的場合。

截面形狀和尺寸的選擇對于樓梯框架的承載能力和穩定性也具有重要影響。常見的截面形狀包括矩形截面、圓形截面、H 型截面等。在選擇截面形狀和尺寸時，需要根據結構的承載能力、剛度要求、制造和安裝方便程度等因素進行綜合考慮。

1.3 動力特性分析

室外鋼樓梯在荷載作用下會出現不同的振動特性，這對于室外鋼樓梯的安全性和使用壽命具有重要的影響。因此，需要對室外鋼樓梯的動力特性進行分析和研究。

在動力特性分析中，需要考慮室外鋼樓梯的自然頻率、阻尼比等參數。通過模擬計算和實驗測試，可以得到室外鋼樓梯在不同荷載作用下的振動頻率和振動幅值。此外，還需要分析樓梯的位移、加速度等參數，以評估其對使用者的影響和安全性。

2 荷載特性分析

2.1 荷載類型與特點

室外鋼樓梯在使用過程中，會受到多種類型的荷載作用，例如自重荷載、風荷載、人員荷載等。不同類型的荷載具有不同的特點，對樓梯的振動特性和結構穩定性產生不同的影響。

自重荷載是指樓梯自身的重量所產生的荷載，其大小與樓梯的結構和材料有關。自重荷載一般對樓梯的振動影響較小，但在大型室外鋼樓梯中，其作用仍需考慮。

風荷載是指風力對樓梯所產生的壓力和力矩所引起的荷載，其大小與樓梯的高度、形狀和風速有關。風荷載對樓梯的振動影響較大，特別是在高風速、大型樓梯或暴風雨等惡劣天氣條件下，風荷載會對樓梯產生顯著的振動。

人員荷載是指人員在樓梯上行走所產生的荷載，其大小與人員的數量、體重和行走方式有關。人員荷載對樓梯的振動影響較小，但在高峰期或活動場所等情況下，其作用需考慮。

2.2 荷載作用下室外鋼樓梯振動特性

荷載作用下，室外鋼樓梯會產生不同振動特性。為了分析樓梯在不同荷載作用下的振動特性，本文采用了有限元分析方法對樓梯結構進行模擬和分析。模擬結果表明，不同類型荷載作用下，樓梯的振動模式和振動頻率都不同。自重荷載作用下，樓梯振動主要集中在低頻段，振幅較小；風荷載作用下，樓梯振動主要集中在高頻段，振幅較大；人員荷載作用下，樓梯振動頻率較高，但振幅較小。

在不同荷載作用下，樓梯的振動特性對其結構安全性和使用壽命產生不同影響。針對不同荷載作用下的振動特性，需要采取相應的措施進行控制和調整，保證樓梯的結構穩定和使用安全。因此，針對不同類型荷載的特點和作用機理，設計合適的控制方案是非常重要的。

在風荷載作用下，樓梯的振動特性對于樓梯結構的疲勞壽命和穩定性有著重要的影響。為了降低樓梯的振動幅值，提高其穩定性和安全性，需要采取相應的控制措施。常見的控制方法包括被動控制和主動控制兩種。

被動控制是指通過增加阻尼器等被動元件，來降低樓梯的振動幅值。該方法具有簡單可靠、成本較低等優點，但其控制效果受到環境和荷載等因素的影響較大，不能實現針對性控制。

主動控制是指通過控制系統對樓梯進行實時監測和控制，從而調整樓梯的振動狀態和幅值。該方法可以實現對樓梯振動的實時控制和調節，具有較好的針對性和適應性。其中，基于反饋控制算法的主動控制方法具有較好的控制效果和實用性，是當前研究的熱點之一。

3 室外鋼樓梯震動監測與控制關鍵技術研究

3.1 監測系統設計

為了實現對室外鋼樓梯的震動監測和控制，本文設計了一套實時監測系統。該系統包括加速度傳感器、數據采集設備、數據處理和分析軟件以及控制裝置等組成。其中，加速度傳感器用于實時監測樓梯的振動響應，數據采集設備將加速度傳感器采集到的數據傳輸至數據處理和分析軟件中，通過對數據進行分析和處理，確定樓梯的振動特性，以及判斷樓梯是否存在安全隱患。同時，控制裝置可根據監測數據實時調整樓梯結構的參數，以達到控制樓梯振動的目的。

3.2 控制策略研究

在本文中，我們研究了多種控制策略，以實現對室外鋼樓梯的振動控制。其中，包括經典控制、自適應控制和智能控制等多種控制方法。我們采用Matlab/Simulink 對不同控制策略進行了仿真分析，并對控制效果進行了評估。

經典控制方法中，我們采用比例-積分-微分（PID）控制器進行了模擬分析。通過調整PID參數，我們實現了對樓梯振動的控制，達到了一定的效果。然而，經典控制方法存在精度較低、調試難度大等缺點，不能滿足實時控制的要求。

自適應控制方法中，我們采用自適應神經模糊控制（ANFIS）進行了模擬分析。通過對樓梯振動響應數據的學習和分析，我們構建了ANFIS 控制器，并實現了對樓梯振動的控制。該方法可以有效地適應不同荷載條件下樓梯的振動響應，提高了控制效果。

智能控制方法中，我們采用人工神經網絡（ANN）進行了模擬分析。通過對樓梯振動響應數據的學習和分析，我們構建了ANN 控制器，并實現了對樓梯振動的控制。該方法可以更好地適應不同荷載條件下樓梯的振動響應，同時，由于ANN 具有良好的非線性逼近能力和自適應性，因此該方法能夠更加精確地控制樓梯的振動，且對控制參數的選擇更加靈活。

3.3 實驗結果與分析

本文對不同控制策略進行了仿真分析，并對控制效果進行了評估。經過對比分析，我們發現，自適應控制和智能控制方法相比經典控制方法，可以更好地適應不同荷載條件下樓梯的振動響應，且對控制參數的選擇更加靈活。其中，智能控制方法的控制效果更好，具有更高的控制精度。

4 基于反饋控制算法的室外鋼樓梯震動控制

4.1 反饋控制算法原理

為了實現對室外鋼樓梯的震動控制，本文采用了基于反饋控制算法的控制方法。反饋控制是指利用系統輸出信息對系統輸入進行調整的一種控制方法。在閉環控制系統中，傳感器可以實時監測樓梯的振動，并將振動信號反饋給控制器，控制器通過調整執行器對樓梯進行控制，從而實現對樓梯振動的控制和減弱。

本文采用了PID 控制算法作為反饋控制的基本原理。PID控制是一種常用的控制算法，其核心思想是通過比例、積分、微分三個參數對系統進行控制。其中，比例參數Kp 可以用于調整系統的響應速度，積分參數Ki 可以用于消除系統靜態誤差，微分參數Kd 可以用于抑制系統振蕩。通過對PID參數的優化和調整，可以實現對系統的精確控制和穩定運行。

4.2 震動控制系統設計

為了實現基于反饋控制算法的室外鋼樓梯震動控制，本文設計了一個閉環控制系統。系統結構如圖1所示，主要包括傳感器、控制器和執行器三個部分。傳感器用于實時監測樓梯的振動，將振動信號反饋給控制器；控制器根據反饋信號和預設的控制策略，產生控制信號，通過執行器對樓梯進行實時調整和控制。

圖1 閉環控制系統圖

在控制系統的設計中，需要考慮到樓梯的振動特性和控制需求，合理選擇傳感器和執行器，并針對PID控制算法進行參數優化和調整。在實際控制中，可以通過模擬和仿真等方法對系統進行評估和驗證，確保控制系統的性能和穩定性。

控制系統的控制策略主要包括PID控制、滑模控制等多種方法。本文采用了PID控制方法，其基本原理是通過調整比例、積分、微分三個參數來控制系統的響應速度和穩定性。在實際控制中，需要根據樓梯的振動特性和控制需求，對PID 參數進行優化和調整，以達到最優的控制效果。

為了驗證基于反饋控制算法的控制效果，本文進行了實驗研究。實驗采用了多個工況下的荷載作用，并通過閉環控制系統對樓梯振動進行控制。實驗結果表明，采用PID控制算法的閉環控制系統可以有效地控制室外鋼樓梯的振動，達到減震效果顯著的目的。同時，通過對控制系統參數的調整和優化，可以進一步提高控制系統的性能和穩定性。

在實際工程中，基于反饋控制算法的控制方法可以有效地應用于室外鋼樓梯的設計和施工中，提高樓梯的安全性和使用壽命。但是，需要注意的是，控制系統的設計和調試需要考慮到樓梯的實際使用環境和荷載特性，以保證控制效果的穩定和可靠。

5 結論

本文對室外鋼樓梯的震動監測與控制關鍵技術進行了研究。通過對室外鋼樓梯結構參數和荷載特性的分析，可以得到室外鋼樓梯的動力特性，從而為后續的震動監測和控制提供了理論基礎。

基于振動傳感器的數據采集系統，本文實現了對室外鋼樓梯的實時震動監測，并對監測數據進行了分析和處理。通過分析不同荷載作用下的振動特性，可以得到室外鋼樓梯的自然頻率和阻尼比等參數，為后續的震動控制提供了重要的依據。

針對室外鋼樓梯的震動控制問題，本文提出了基于反饋控制算法的控制方案，并設計了震動控制系統進行實驗驗證。實驗結果表明，該控制方案能夠有效地降低室外鋼樓梯的振動幅值，提高其使用安全性。未來，可以進一步探索鋼樓梯的結構優化和控制算法的改進，為室外鋼樓梯的安全運行提供更好的保障。