工程建筑中结构振动控制策略与性能优化研究

摘要：工程建筑中结构振动控制和性能优化是一个重要而复杂的领域。在地震和其他振动性荷载的背景下，建筑结构需要具备卓越的抗震性能，以确保人员的安全和结构的完整性。主要阐述了结构振动控制的相关策略方法，介绍了结构振动性能优化需考虑的性能指标、优化算法及性能优化策略，强调了结构振动控制策略与性能优化相结合的重要性与必要性，指出考虑结构振动因素的多目标优化策略具有一定先进性与可行性，并基于实例分析验证了综合评估优化后的减震控制方案在高层建筑中的的实用性与有效性。

关键词：工程建筑结构振动优化算法地震

中图分类号：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

地震作为一种严重的自然灾害，其破坏性和不可预测性给工程结构的设计和施工带来了极大的挑战。传统方法通常采用增加质量、刚度和强度等手段来提高结构的抗震能力，但这可能导致显著的成本增加，且不能满足多变的地震荷载条件。因此，研究结构振动控制策略已成为改善结构性能和减小地震响应的一种关键途径。同时，性能优化方法在工程领域具有广泛的应用。性能优化的目标是通过提高结构的性能，来实现更安全和高效的结构设计。基于此，本研究将结构振动控制策略与性能优化相结合，旨在探索更有效、经济和可行的方法，以提高工程结构的抗震性能。

1结构振动控制策略概述

结构振动控制是工程领域中一个重要的研究方向，旨在减小建筑物、桥梁和其他工程结构在地震、风荷载等外部力作用下的振动响应，从而提高结构的安全性和稳定性，结构振动控制策略主要可以分为以下几种。

1.1主动控制

主动控制是通过向结构施加一个与原有振动相反的激励，从而抵消结构的振动。这种控制方式需要使用传感器实时监测结构的振动情况，并将监测到的信号反馈给控制器，控制器根据反馈信号计算出需要施加的相反激励，然后驱动执行器产生相应的激励。主动控制的效果较好，但需要外部能源，且设备和实施成本较高。

1.2被动控制

被动控制是通过在结构中添加阻尼材料、隔震装置等被动元件，从而吸收或消散结构的振动能量。这种控制方式不需要外部能源，但需要选择合适的被动元件，并根据结构的特点进行优化设计。被动控制的成本较低，但在某些情况下可能无法完全消除结构的振动。

1.3混合控制

混合控制是将主动控制和被动控制相结合的一种控制方式。这种控制方式可以综合利用两种控制方式的优点，提高控制效果。但混合控制的实施难度较大，需要协调好主动和被动两种控制方式的关系。

1.4半主动控制

半主动控制是一种介于主动控制和被动控制之间的控制方式。这种控制方式通过调整某些参数或阻尼器的刚度或阻尼，从而改变结构的动态特性，以达到减小或消除结构振动的目的。半主动控制的成本和实施难度较低，具有较好的应用前景。

1.5智能控制

智能控制是指利用智能材料或智能系统进行结构振动控制的一种方式。智能材料如形状记忆合金、压电陶瓷等，可以根据外部刺激产生相应的变形或振动，从而对结构进行智能控制。智能控制的精度和自适应性较高，但材料的制备和加工难度较大，成本也较高。

1.6振动隔离

振动隔离是指通过隔离结构与外部振源的振动传递，从而减小结构振动的一种方式。这种控制方式需要在结构与外部振源之间设置隔振器或隔振垫等隔离元件，以减小传递到结构的振动能量。振动隔离的效果取决于隔离元件的性能和设计，对于高频振源的隔离效果较好。

1.7能量消减

能量消减是指通过吸收、转化或消散结构中的振动能量，从而减小结构振动的幅度和能量的一种方式。这种控制方式可以通过在结构中设置阻尼材料、能量吸收器或能量转化装置等来实现。能量消减的效果取决于所选装置的性能和设计，适用于各种频率的振动能量消减。

以上是对结构振动控制策略的简要概述，不同的策略适用于不同的应用场景和需求，在实际应用中需要根据具体情况进行选择和优化设计。

2结构振动性能评估和优化

2.1结构振动性能指标

结构振动的性能评估和优化是结构工程领域的一项至关重要的任务，它旨在确保建筑物、桥梁和其他工程结构在不同外部荷载情况下能够以安全和可靠的方式运行。在这一领域中，结构性能指标被广泛采用，以量化和评估结构的行为、性能和稳定性。以下是一些核心性能指标。

2.1.1最大位移

最大位移是用来衡量结构在外部荷载作用下的挠度或变形程度的指标。它通常表示结构中各个关键点或部位的最大位移数值。通过监测最大位移，工程师能够了解结构的挠度情况，以确定是否在安全和可控的范围内。

2.1.2最大加速度

最大加速度是指结构中某一点或某一部位在外部荷载作用下达到的最大加速度数值。这一性能指标用来评估结构的响应速度和抗震性能。工程师需要确保结构在地震等动态荷载下的最大加速度在可接受的范围内，以保障结构的稳定性。

2.1.3塑性铰形成

塑性铰是指结构中的一种非弹性形变区域，通常在地震等大荷载作用下形成。评估塑性铰的形成对于确定结构是否在极端负载下发生非可逆性破坏至关重要。这一指标提供了关于结构性能和安全性的关键信息，有助于制定改进和修复策略。

这些性能指标的使用使工程师能够全面了解结构的行为和性能，从而确保结构在各种荷载情况下都能够正常运行。这有助于提高结构的可靠性和稳定性，同时也为结构的优化和改进提供了基础。通过精确评估这些性能指标，工程师能够制定出更加安全和可持续的结构设计和维护策略，以满足不同项目的需求和挑战。

2.2优化算法

结构振动性能的优化需要借助各种优化算法，以改进结构设计、确保结构在振动环境下的性能卓越。以下是3种常用的优化算法。

2.2.1遗传算法

是一种受到自然选择和遗传机制启发的优化方法，通过模拟种群内个体的遗传、交叉和变异来搜索最佳解决方案。遗传算法广泛用于多参数、多目标的结构性能优化问题，具有全局搜索能力，适用于复杂结构的设计和性能优化。

2.2.2粒子群优化算法

模拟了鸟群或鱼群寻找食物的过程，每个“粒子”代表一个潜在的解决方案，它们根据自身和邻居的经验来调整位置。粒子群优化在结构参数优化、振动控制和拓扑优化中具有广泛应用，具有自适应性和高度可调性，适合处理各种结构问题。

2.2.3模拟退火算法

受到固体材料退火过程的启发，通过模拟材料在高温和低温条件下的性能变化来进行优化。它适用于结构配置、拓扑设计和材料属性的优化，具有平衡全局搜索和局部搜索的能力，用于处理复杂非线性结构问题。

2.3性能优化策略

在结构振动性能的评估和优化过程中，采用合适的性能优化策略对结构进行改进和优化是至关重要的。这些策略的选择和应用可以显著影响结构的振动响应和整体性能。

2.3.1设计变量选择

设计变量是在性能优化中可以调整的参数，它们决定了结构的特征。合理选择设计变量是性能优化的基础。这些设计变量可以包括结构的尺寸、形状、材料属性、连接方式等。工程师需要在问题定义阶段仔细考虑并选择适当的设计变量，以确保优化问题的合理性和可行性。正确选择设计变量可以在有限的计算资源内获得最佳性能提升。

2.3.2约束条件考虑

在性能优化中，必须考虑各种约束条件，以确保所提出的解决方案是实际可行的。这些约束条件可以包括预算限制、安全系数、规范要求、可制造性和可维护性等。约束条件的考虑是为了确保结构不仅在性能上得到提升，还要满足各种实际需求和规定。优化问题的解必须同时满足性能目标和约束条件，这需要工程师在优化过程中进行权衡和调整。

2.3.3多目标优化

结构振动性能评估通常涉及多个性能指标，如最大位移、最大加速度、塑性铰形成等。这些指标可能是相互竞争的，改进一个性能指标可能会对其他指标产生负面影响。多目标优化策略旨在找到一组解决方案，其中没有一个优于其他解决方案，而是在不同性能指标之间实现了平衡。这要求采用多目标优化算法，例如：多目标遗传算法或多目标粒子群优化，以寻找一系列可行的解决方案，以便工程师选择最适合其项目需求的解决方案。

3结构振动控制策略与性能优化的结合

结构振动控制策略与性能优化之间存在密切的关联，因为它们共同致力于提高结构的性能和稳定性。结构振动控制策略的主要目标是减小结构在振动条件下的位移、速度和加速度，从而降低振动对结构的影响，提高结构的稳定性和舒适性。性能优化策略则旨在通过调整结构的设计、材料和几何参数，使其满足特定需求和约束条件。

3.1结构振动控制策略影响性能优化

结构振动控制策略在性能优化中的应用有助于改善结构的抗震性能、稳定性和舒适性。通过精心选择和调整控制策略，工程师可以找到最适合特定项目需求的解决方案，从而实现更安全和可持续的结构设计。首先，结构振动控制策略可以显著改善结构的动态性能。通过引入控制装置，如质点阻尼器、液体阻尼器、主动控制系统或其他控制策略，工程师可以实时调整结构的响应，以减小最大位移和最大加速度。这直接有助于提高结构的抗震性能，减小振动对结构的不利影响。这就意味着结构在地震或其他动力荷载下，可以更好地保持完整性和稳定性，从而提高了结构的可靠性。其次，控制策略的选择和参数设置对性能优化至关重要。不同的控制策略可能会对性能指标产生不同的影响。例如：质点阻尼器可以有效减小结构的振动幅度，从而提高稳定性，但其质量可能会对整体重量造成负担。液体阻尼器能够控制较大振动振幅的结构，但设计复杂。因此，工程师必须精心选择控制策略，并根据具体项目需求调整策略参数，以在性能优化过程中取得最佳结果。最后，结构振动控制策略的引入使性能优化问题更加复杂。不再只需要考虑静态性能，还需要同时考虑结构的动态响应。这要求在优化算法中加入控制策略的考虑，以实现性能和稳定性的双重目标。这增加了问题的复杂性，但也为工程师提供了更多灵活性，以满足多个性能指标和约束条件。

3.2多目标优化中结构振动控制策略的作用

多目标优化是一种关键的方法，用于权衡不同性能指标以找到最佳结构解决方案。在这个过程中，结构振动控制策略发挥着重要的作用，以确保结构在不同方面的性能都能得到改进。第一，多目标优化涉及多个性能指标，例如最大位移、最大加速度、材料利用率等。这些性能指标通常与结构的振动响应密切相关，因为振动会影响结构的位移和加速度。结构振动控制策略可以通过减小振动振幅来改善这些性能指标，从而对多目标优化问题产生积极影响。第二，结构振动控制策略的参数可以被引入多目标优化中作为优化变量。这意味着工程师可以调整控制策略的参数，以在不同性能指标之间找到平衡点。例如：通过调整质点阻尼器或液体阻尼器的阻尼系数，工程师可以在提高结构的抗震性能的同时，尽量减小材料利用率。这种灵活性允许工程师根据具体项目需求和优先级来定制结构的最佳性能。第三，结构振动控制策略在多目标优化中的作用在于帮助工程师克服性能指标之间的冲突。不同性能指标可能存在权衡关系，改善一个性能指标可能对其他性能指标产生不利影响。结构振动控制策略的应用可以有助于平衡这些冲突，找到最适合特定项目需求的解决方案，这有助于提高工程项目的质量和可持续性。

4高层建筑减震控制性能的实用分析

4.1工程概况

本工程为地上办公楼建筑，结构形式为型钢混凝土框架+钢筋混凝土核心筒结构，房屋建筑高度为245m共56层（不包含屋面局部凸出部分）。首层层高为13.04m；标准层层高为4.2m；房屋第14层、第28层、第42层均为避难层，避难层层高均为6.3m（避难层设有环带桁架，未设置伸臂桁架）。拟建场区抗震设防烈度为8°，设计基本地震加速度为0.2g，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组，场地特征周期为0.45s，房屋设防类别为标准设防类，结构固有阻尼比为0.04。房屋标准层结构平面图见图1。

由于工程所处地区地震烈度较高，故拟通过增设消能装置减轻房屋结构在罕遇地震下的塑性损伤，减少主体结构震后修复的费用和时间，提高结构抗震性能。

4.2减震控制方案

在超高层建筑框架核心筒结构体系中，往往通过在外框与核心筒之间设置刚性伸臂桁架来提高结构整体抗侧刚度。但刚性伸臂桁架的设置会使结构部分楼层形成刚度和剪力突变，因此，在地震高烈度设防区使用刚性伸臂桁架仍存在一定的争议。黏滞阻尼伸臂桁架则是将传统伸臂桁架与外框柱的刚性连接断开，将黏滞阻尼器竖向布置在伸臂桁架与外框架柱之间的一种消能减震技术。采用该技术不仅可以降低加强层剪力和刚度剧烈突变带来的不利影响，亦可以有效降低地震作用。

考虑到黏滞阻尼器虽无静刚度，但在动力荷载作用下存在一定的动力刚度，因此采用本减震方案时取消了原设有的环带桁架。经计算比选，本方案在房屋第14层、第28层、第42层三个加强层中共布置了24个黏滞伸臂桁架。其平面布置图详见图3，黏滞阻尼器的力学性能详见表1。

4.3减震效果分析

减震控制方案的实施为上述高层建筑结构带来了显著的效果。通过设置黏滞阻尼伸臂桁架，建筑的抗震性能得到了一定提高。这一减震控制方案有助于吸收地震能量，降低结构的振动响应，使建筑结构在罕遇地震情况下能够更好地保持稳定，减少了结构损伤的风险。此外，减震控制方案还对降低维修和修复成本产生了积极影响。综上所述，选择合适的减震控制方案可以有效提高建筑结构的抗震性能、降低结构变形，同时也可为使用者提供了更有效的安全保障，证明了减震控制方案的实用性和有效性。

5结语

总体来说，结构振动控制策略与性能优化在高层建筑抗震设计中起着重要作用。结构振动控制策略旨在减小地震等振动条件下的位移、速度和加速度，提高结构的稳定性和舒适性，从而提高抗震性能。性能优化策略则关注结构的设计、材料和几何参数，以满足特定需求和约束条件。结构振动控制策略的引入增加了性能优化问题的复杂性，因为需要同时考虑结构的动态响应，但也提供了更多灵活性，以满足多个性能指标和约束条件。多目标优化方法在权衡不同性能指标时发挥关键作用，结构振动控制策略可以帮助工程师平衡这些指标，以满足项目需求。特定减震控制方案，如黏滞阻尼伸臂桁架，可以显著提高高层建筑的抗震性能，降低损伤和维修成本，增加结构的可持续性。因此，结构振动控制策略与性能优化之间的密切协作对于确保高层建筑在地震等振动条件下的安全性和可持续性至关重要。这种综合考虑有助于工程师找到最佳的结构解决方案，提高工程项目的质量和可靠性。

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