工程建筑中結構振動控制策略與性能優化研究

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

關鍵詞：工程建筑結構振動優化算法地震

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

地震作為一種嚴重的自然災害，其破壞性和不可預測性給工程結構的設計和施工帶來了極大的挑戰。傳統方法通常采用增加質量、剛度和強度等手段來提高結構的抗震能力，但這可能導致顯著的成本增加，且不能滿足多變的地震荷載條件。因此，研究結構振動控制策略已成為改善結構性能和減小地震響應的一種關鍵途徑。同時，性能優化方法在工程領域具有廣泛的應用。性能優化的目標是通過提高結構的性能，來實現更安全和高效的結構設計。基于此，本研究將結構振動控制策略與性能優化相結合，旨在探索更有效、經濟和可行的方法，以提高工程結構的抗震性能。

1結構振動控制策略概述

結構振動控制是工程領域中一個重要的研究方向，旨在減小建筑物、橋梁和其他工程結構在地震、風荷載等外部力作用下的振動響應，從而提高結構的安全性和穩定性，結構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構施加一個與原有振動相反的激勵，從而抵消結構的振動。這種控制方式需要使用傳感器實時監測結構的振動情況，并將監測到的信號反饋給控制器，控制器根據反饋信號計算出需要施加的相反激勵，然后驅動執行器產生相應的激勵。主動控制的效果較好，但需要外部能源，且設備和實施成本較高。

1.2被動控制

被動控制是通過在結構中添加阻尼材料、隔震裝置等被動元件，從而吸收或消散結構的振動能量。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，并根據結構的特點進行優化設計。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構的振動。

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點，提高控制效果。但混合控制的實施難度較大，需要協調好主動和被動兩種控制方式的關系。

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整某些參數或阻尼器的剛度或阻尼，從而改變結構的動態特性，以達到減小或消除結構振動的目的。半主動控制的成本和實施難度較低，具有較好的應用前景。

1.5智能控制

智能控制是指利用智能材料或智能系統進行結構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，可以根據外部刺激產生相應的變形或振動，從而對結構進行智能控制。智能控制的精度和自適應性較高，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構與外部振源的振動傳遞，從而減小結構振動的一種方式。這種控制方式需要在結構與外部振源之間設置隔振器或隔振墊等隔離元件，以減小傳遞到結構的振動能量。振動隔離的效果取決于隔離元件的性能和設計，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、轉化或消散結構中的振動能量，從而減小結構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構中設置阻尼材料、能量吸收器或能量轉化裝置等來實現。能量消減的效果取決于所選裝置的性能和設計，適用于各種頻率的振動能量消減。

以上是對結構振動控制策略的簡要概述，不同的策略適用于不同的應用場景和需求，在實際應用中需要根據具體情況進行選擇和優化設計。

2結構振動性能評估和優化

2.1結構振動性能指標

結構振動的性能評估和優化是結構工程領域的一項至關重要的任務，它旨在確保建筑物、橋梁和其他工程結構在不同外部荷載情況下能夠以安全和可靠的方式運行。在這一領域中，結構性能指標被廣泛采用，以量化和評估結構的行為、性能和穩定性。以下是一些核心性能指標。

2.1.1最大位移

最大位移是用來衡量結構在外部荷載作用下的撓度或變形程度的指標。它通常表示結構中各個關鍵點或部位的最大位移數值。通過監測最大位移，工程師能夠了解結構的撓度情況，以確定是否在安全和可控的范圍內。

2.1.2最大加速度

最大加速度是指結構中某一點或某一部位在外部荷載作用下達到的最大加速度數值。這一性能指標用來評估結構的響應速度和抗震性能。工程師需要確保結構在地震等動態荷載下的最大加速度在可接受的范圍內，以保障結構的穩定性。

2.1.3塑性鉸形成

塑性鉸是指結構中的一種非彈性形變區域，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構是否在極端負載下發生非可逆性破壞至關重要。這一指標提供了關于結構性能和安全性的關鍵信息，有助于制定改進和修復策略。

這些性能指標的使用使工程師能夠全面了解結構的行為和性能，從而確保結構在各種荷載情況下都能夠正常運行。這有助于提高結構的可靠性和穩定性，同時也為結構的優化和改進提供了基礎。通過精確評估這些性能指標，工程師能夠制定出更加安全和可持續的結構設計和維護策略，以滿足不同項目的需求和挑戰。

2.2優化算法

結構振動性能的優化需要借助各種優化算法，以改進結構設計、確保結構在振動環境下的性能卓越。以下是3種常用的優化算法。

2.2.1遺傳算法

是一種受到自然選擇和遺傳機制啟發的優化方法，通過模擬種群內個體的遺傳、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、多目標的結構性能優化問題，具有全局搜索能力，適用于復雜結構的設計和性能優化。

2.2.2粒子群優化算法

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，它們根據自身和鄰居的經驗來調整位置。粒子群優化在結構參數優化、振動控制和拓撲優化中具有廣泛應用，具有自適應性和高度可調性，適合處理各種結構問題。

2.2.3模擬退火算法

受到固體材料退火過程的啟發，通過模擬材料在高溫和低溫條件下的性能變化來進行優化。它適用于結構配置、拓撲設計和材料屬性的優化，具有平衡全局搜索和局部搜索的能力，用于處理復雜非線性結構問題。

2.3性能優化策略

在結構振動性能的評估和優化過程中，采用合適的性能優化策略對結構進行改進和優化是至關重要的。這些策略的選擇和應用可以顯著影響結構的振動響應和整體性能。

2.3.1設計變量選擇

設計變量是在性能優化中可以調整的參數，它們決定了結構的特征。合理選擇設計變量是性能優化的基礎。這些設計變量可以包括結構的尺寸、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考慮并選擇適當的設計變量，以確保優化問題的合理性和可行性。正確選擇設計變量可以在有限的計算資源內獲得最佳性能提升。

2.3.2約束條件考慮

在性能優化中，必須考慮各種約束條件，以確保所提出的解決方案是實際可行的。這些約束條件可以包括預算限制、安全系數、規范要求、可制造性和可維護性等。約束條件的考慮是為了確保結構不僅在性能上得到提升，還要滿足各種實際需求和規定。優化問題的解必須同時滿足性能目標和約束條件，這需要工程師在優化過程中進行權衡和調整。

2.3.3多目標優化

結構振動性能評估通常涉及多個性能指標，如最大位移、最大加速度、塑性鉸形成等。這些指標可能是相互競爭的，改進一個性能指標可能會對其他指標產生負面影響。多目標優化策略旨在找到一組解決方案，其中沒有一個優于其他解決方案，而是在不同性能指標之間實現了平衡。這要求采用多目標優化算法，例如：多目標遺傳算法或多目標粒子群優化，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結構振動控制策略與性能優化的結合

結構振動控制策略與性能優化之間存在密切的關聯，因為它們共同致力于提高結構的性能和穩定性。結構振動控制策略的主要目標是減小結構在振動條件下的位移、速度和加速度，從而降低振動對結構的影響，提高結構的穩定性和舒適性。性能優化策略則旨在通過調整結構的設計、材料和幾何參數，使其滿足特定需求和約束條件。

3.1結構振動控制策略影響性能優化

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

3.2多目標優化中結構振動控制策略的作用

多目標優化是一種關鍵的方法，用于權衡不同性能指標以找到最佳結構解決方案。在這個過程中，結構振動控制策略發揮著重要的作用，以確保結構在不同方面的性能都能得到改進。第一，多目標優化涉及多個性能指標，例如最大位移、最大加速度、材料利用率等。這些性能指標通常與結構的振動響應密切相關，因為振動會影響結構的位移和加速度。結構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，從而對多目標優化問題產生積極影響。第二，結構振動控制策略的參數可以被引入多目標優化中作為優化變量。這意味著工程師可以調整控制策略的參數，以在不同性能指標之間找到平衡點。例如：通過調整質點阻尼器或液體阻尼器的阻尼系數，工程師可以在提高結構的抗震性能的同時，盡量減小材料利用率。這種靈活性允許工程師根據具體項目需求和優先級來定制結構的最佳性能。第三，結構振動控制策略在多目標優化中的作用在于幫助工程師克服性能指標之間的沖突。不同性能指標可能存在權衡關系，改善一個性能指標可能對其他性能指標產生不利影響。結構振動控制策略的應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量和可持續性。

4高層建筑減震控制性能的實用分析

4.1工程概況

本工程為地上辦公樓建筑，結構形式為型鋼混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒結構，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；標準層層高為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（避難層設有環帶桁架，未設置伸臂桁架）。擬建場區抗震設防烈度為8°，設計基本地震加速度為0.2g，場地類別為Ⅲ類，設計地震分組為第一組，場地特征周期為0.45s，房屋設防類別為標準設防類，結構固有阻尼比為0.04。房屋標準層結構平面圖見圖1。

由于工程所處地區地震烈度較高，故擬通過增設消能裝置減輕房屋結構在罕遇地震下的塑性損傷，減少主體結構震后修復的費用和時間，提高結構抗震性能。

4.2減震控制方案

在超高層建筑框架核心筒結構體系中，往往通過在外框與核心筒之間設置剛性伸臂桁架來提高結構整體抗側剛度。但剛性伸臂桁架的設置會使結構部分樓層形成剛度和剪力突變，因此，在地震高烈度設防區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。采用該技術不僅可以降低加強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有的環帶桁架。經計算比選，本方案在房屋第14層、第28層、第42層三個加強層中共布置了24個黏滯伸臂桁架。其平面布置圖詳見圖3，黏滯阻尼器的力學性能詳見表1。

4.3減震效果分析

減震控制方案的實施為上述高層建筑結構帶來了顯著的效果。通過設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，降低結構的振動響應，使建筑結構在罕遇地震情況下能夠更好地保持穩定，減少了結構損傷的風險。此外，減震控制方案還對降低維修和修復成本產生了積極影響。綜上所述，選擇合適的減震控制方案可以有效提高建筑結構的抗震性能、降低結構變形，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用性和有效性。

5結語

總體來說，結構振動控制策略與性能優化在高層建筑抗震設計中起著重要作用。結構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，提高結構的穩定性和舒適性，從而提高抗震性能。性能優化策略則關注結構的設計、材料和幾何參數，以滿足特定需求和約束條件。結構振動控制策略的引入增加了性能優化問題的復雜性，因為需要同時考慮結構的動態響應，但也提供了更多靈活性，以滿足多個性能指標和約束條件。多目標優化方法在權衡不同性能指標時發揮關鍵作用，結構振動控制策略可以幫助工程師平衡這些指標，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，增加結構的可持續性。因此，結構振動控制策略與性能優化之間的密切協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性至關重要。這種綜合考慮有助于工程師找到最佳的結構解決方案，提高工程項目的質量和可靠性。

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