本发明涉及巨型高耸式微振动控制工程技术领域，更具体涉及一种立式高耸结构隔振系统振动变形量测算方法。
背景技术：
目前，针对巨型高耸结构的微振动控制工程主要集中在航空航天、光学检测、武器装备等尖端工程领域。其主要设计方法是常规设计方法，即根据设计目标、结构特点，利用规范进行结构设计，通过对设计方案进行验算，观察验算值是否满足要求判别设计方案合理性。微振动设计目标要求严格，但由于结构巨型高耸的特征，且其系统复杂，现有技术无法对整个微振动设计过程的精准性进行合理有效控制。常常导致要么工程设计的特别保守，成本代价异常大；要么设计施工完毕后，工程实测结果和当初设计预期差别非常大，难以保证设计效果，造成二次设计或改造。更具体地，常规设计方案具有以下缺陷：
缺乏概念设计有效导向性。传统设计方法主要是根据微振动设计目标、结合高耸结构工艺特征进行结构设计，往往忽略了振动控制工程系统的实际可操作层面的可行性，在振动控制方面，没有进行有效的设计分类，即缺乏概念设计有效导向性。如微振动控制工程需要进行多级减隔振处理，而且各种工程减隔振措施的功效有区别，减振的方式由振源、传递路径、工艺设备逐步进行等等，因此常规设计方案不系统、无分类、不合理。
缺乏整体系统精细化分析。对于微振动控制工程而言，其振动控制目标相对常规工程而言是非常严格的，因此也标志微振动控制工程必须进行精细化设计才能实现目标。常规方案由于工程系统复杂、缺乏有效分类，整体建模中多尺度问题无法解决，所以无法进行整体有效地精细化建模分析，导致了设计方案缺乏精准性、有效性。
缺乏有效设计方案修正措施。常规设计仅通过非精细化计算和工程经验估算来进行辅助设计方案验算，所以缺乏行之有效的设计方案修正措施。如果设计方案存在一些问题，则没有修正机制及时有效地对结构进行局部设计，也无法对结构的动力特性进行改善。
技术实现要素：
为克服现有技术存在的上述技术问题至少之一，本发明提供了一种立式高耸结构隔振系统振动变形量测算方法，该方法包括：
1)立式高耸结构精细化计算，所述立式高耸结构精细化计算包括以下子步骤：
立式高耸结构基本结构设计，
建立有限元模型，进行立式高耸结构模态有限元精细化计算，
局部辅助改造设计；
立式高耸结构动态响应有限元精细化数值模拟；以及
立式高耸结构模态计算分析，以获取巨型高耸结构模态分布特征；
2)缩尺试验模型模态测试，所述缩尺试验模型模态测试包括以下子步骤：
缩尺试验结构设计，缩尺比例不低于1:5，以及
缩尺试验结构模态锤击测试及动力响应测试，以获取缩尺试验的结构模态分布参数信息和动力响应参数规律；
3)振动变形量估算，所述振动变形量估算包括以下子步骤：
将立式高耸结构精细化计算结果与所述缩尺试验模型模态测试结果对比，
判断模态设计是否合理，如果不满足δ1≤[δ1]，则返回步骤1)立式高耸结构精细化计算中的局部辅助改造设计子步骤中，重新进行局部设计，如果满足δ1≤[δ1]，则进入实际隔振系统振动变形量评估，其中δ1为立式高耸结构有效减振系数，[δ1]为立式高耸结构设计临界减振系数；以及
实际隔振系统振动变形量评估，根据步骤1)立式高耸结构精细化计算中的立式高耸结构模态计算分析的结果，对整体模型中关键参数进行计算结果的提取和处理，得到立式高耸结构振动变形量。
根据本发明的实施方案，所述方法还包括在步骤1)之前判断是否进行气浮式隔振系统设计。
根据本发明的实施方案，所述判断是否进行气浮式隔振系统设计的步骤包括如下子步骤：
确定立式高耸微振动控制系统的工艺指标；
场地振动环境测试，对微振动环境外界荷载水平进行测试，获取动力设计的输入信息；
确定设计方案，包括立式高耸系统的结构主体和设备基础方案；
有限元计算，对设计方案进行有限元工程验算；
判断是否进行气浮隔振系统设计，当δ1RL≤[R]时，判断不需要进行气浮隔振系统设计，当δ1δ2RL≤[R]时，判断需要进行气浮隔振系统设计，其中δ2为气浮隔振系统的有效减振系数，RL为外界振动源振动影响水平。
根据本发明的实施方案，当判断需要进行气浮隔振系统设计时，步骤3)还包括将所述气浮隔振系统结合到步骤1)中的有限元模型中进行二次计算，该二次计算在步骤3)的判断模态设计是否合理与实际隔振系统振动变形量评估二者之间。
根据本发明的实施方案，能够实现诸多的有益技术效果。例如，在判断常规初步设计方案是否进行气浮式隔振方面，根据建筑结构和动力设备基础设计规范进行常规设计，考虑巨型高耸结构的微振动设计目标，并引入多级振动控制概念中的两道隔振方式，一部分通过建筑结构自身进行减隔振，一部分通过气浮隔振装置进行减隔振，确定两道隔振系数，通过这种设计分析判别整体方案是否需要气浮减隔振装置。这种设计方式具有一定的设计导向性，由于考虑了微振动的设计目标、结构设计方法、有限元初步计算和两道减振模式，使得对于巨型高耸结构的微振动控制设计方案可以在设计早期过程被剥离成为两道减振措施，一层为纯粹的结构动力设计，一层为精细化的气浮减震系统设计。
由于通过两道振动控制，可以率先通过分析获取建筑结构减振系数值δ1(有效减振系数)，同时通过工程经验设定理想设计值[δ1](设计临界减振系数)，通过控制δ1≤[δ1]，从而保证建筑结构动力设计的合理性，在此过程中对整体系统进行有限元模型精细化计算，计算的范围要涵盖系统的多尺度问题。巨型立式高耸结构精细化计算可以分为两个部分，一为立式高耸结构整体初步设计方案精细化计算，二为进行局部辅助改造设计、改善动力特性后的精细化计算。结构精细化计算涵盖动力响应仿真计算和模态分析，它有利于提升复杂系统的动力设计准确性。
巨型高耸结构的微振动控制工程是复杂系统工程，通过两道减振设计方法可以将复杂问题分解成为单个问题分步解决，但是其力度仍然不够，为了有效保障结构动力设计准确性，通过缩尺试验进行校准。建立缩尺实验模型的依据为原模型精细化分析结果，即根据原模型一定程度的精细化计算结果。建立缩尺模型，缩尺比例宜控制在1:5以内，通过缩尺模型进行振动台试验，包括结构动力响应模拟测试和模态测试两部分。缩尺模型的最大优势在于既可以通过测试结果保障规律性的结论应用于实际工程，也可以利用缩尺试验结果进行高耸结构的局部动力修改设计，改善其动力特性。
在上述内容基础上，通过有限元精细化计算分析和缩尺试验模拟结果，可以从精细化数值计算结果获取理想结构变形量仿真数据，同时通过缩尺试验的结果对精细化模型进行修正，进而对设计方案进行修正，确保了整体结构动力设计方案的准确性和有效性。
附图说明
图1为根据本发明一个实施方案的立式高耸结构隔振系统振动变形量测算方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图1进行详细的说明，应该理解的是，该详细的说明旨在为本领域技术人员更好地理解本发明的意图，而并非是限制本发明。
参考附图1，图1为根据本发明一个实施方案的立式高耸结构隔振系统振动变形量测算方法的流程图。
附图1中，本发明的方法包括四个部分，也即部分I、II、III以及IV。
部分I即为判断是否进行气浮式隔振系统设计的步骤，其中可包括：
(1)确定立式高耸微振动控制系统的工艺指标，即振动设计目标值。一般情况该工艺指标可以预先设定，例如由业主方提出，由工程实施方进行核准，或者也可以参照行业同类工程，进行行业专家评议，然后确认。
(2)场地振动环境测试。该项主要对微振动环境外界荷载水平进行测试，获取动力设计的输入信息。
(3)常规经验设计方案(确定设计方案)。可以按照GB50463-2008《隔振设计规范》相关标准进行隔振设计，设计输入条件包括设计目标和环境荷载，设计内容包括巨型高耸系统的结构主体和设备基础方案。
(4)有限元计算。主要对(3)中的设计方案进行有限元工程验算，计算模型非精细化。该计算模型对本领域技术人员而言是熟知的。
(5)判断是否气浮隔振系统。采用两道防线进行控制，主要利用δ1RL≤[R]以及δ1δ2RL≤[R]进行隔振设计方案的判断，其中δ1为立式高耸结构有效减振系数，δ2为气浮隔振系统的有效减振系数，RL为外界振动源振动影响水平，[R]为立式高耸结构振动设计目标，[δ1]为立式高耸结构设计临界减振系数，[δ2]为气浮隔振系统减振系数，其中δ1≤[δ1]，δ2≤[δ2]，设计临界隔振系数[δ1]和[δ2]可以由经验值给出。当δ1RL≤[R]时，判断不需要进行气浮隔振系统设计，当δ1δ2RL≤[R]时，判断需要进行气浮隔振系统设计。
(6)气浮式隔振设计。根据(5)中的信息进行巨型高耸型结构气浮式隔振系统设计。气浮式隔振系统具体设计为本领域技术人员所熟知，因此方案详细内容不再详述。
部分II即为立式高耸结构精细化计算的步骤，其中可包括：
(7)立式高耸结构基本结构设计。该部分主要基于(5)的信息，对高耸结构进行结构设计，设计目标为δ1≤[δ1]，主要内容包括高耸式结构主体和设备基础。更具体地，可以包括例如振动容许目标，多级隔振参数以及有限元计算分析等等。
(8)建立有限元模型，进行立式高耸结构模态有限元精细化计算。该部分内容为针对(7)的初步设计方案进行模态有限元计算，但是通过模态参数控制结构有限元网格划分质量，实现精细化建模，涵盖多尺度建模不一致问题。
更具体地，精细化内容可包括：采用梁、壳单元对高耸结构整体建模，包括整体结构和附属结构，附属结构的参与建模计算要求为高耸结构2/3高度下所有质量超过1000Kg需要计入，2/3高度下所有质量超过300Kg需要计入。在此基础上根据圣维南原理，将需要详细计算的楼层及关键梁柱节点按照实体单元计算，其他部分全部简化为梁单元计算的等效边界条件计入在内分析。两次精细化的计算过程的单元分网均按照一阶模态稳定时单元划分密度作为精确性参数计入。
根据本发明的教导，本领域技术人员结合现有技术可以实现上述建模。
(9)进行局部辅助改造设计，改善结构动力特性。通过(8)和(15)的信息，对结构设计方案进行局部修改设计，以此增加结构整体刚性，改善结构动力特性。
(10)立式高耸结构动态响应有限元精细化数值模拟。利用环境振动荷载，例如可以通过步骤(2)来获取，结合(9)中的结构改进设计方案，对(8)中的有限元模型进行微调，并进行结构动力计算，获取结构的动力响应。
(11)立式高耸结构模态计算分析。在(10)的基础上，进行结构模态分析，获取巨型高耸结构模态分布特征。
部分III即为缩尺试验模型模态测试的步骤，其中可包括：
(12)高耸相似结构(缩尺试验结构)设计和施工。基于(9)的信息，针对巨型高耸结构进行缩尺试验模型设计和施工，缩尺比例不宜低于1:5。
(13)缩尺试验结构模态锤击测试及动力响应测试。通过对缩尺试验进行模拟振动台试验，获取缩尺试验的结构模态分布参数信息和动力响应参数规律。
更具体地，缩尺试验模型建立的方法可以包括：
缩尺建模方法一，通过以往同类高耸结构进行振动测试，并进行该模型的计算建模分析，通过实测和计算结果对比，修正计算建模的建模参数，包括网格密度、单元选择、弹性模量和边界条件等信息，以此作为新建高耸结构有限元分析的参考依据。
缩尺建模方法二，建立新的和图纸相一致的缩尺物理模型，相似比不低于1:5，通过对该缩尺高耸模型结构进行振动测试，并进行该模型的计算建模分析，通过实测和计算结果对比，修正计算建模的建模参数，包括网格密度、单元选择、弹性模量和边界条件等信息，以此作为新建高耸结构有限元分析的参考依据。
缩尺模型的确定的计算方法和参数仍然和实际情况存在一定的误差，此时应该采用多个缩尺模型或混合缩尺模型反馈回来的多组模型数据作为修正依据。
根据本发明的教导，本领域技术人员结合现有技术可以实现上述建模。
部分IV即为振动变形量估算，所述振动变形量估算可包括：
(14)实际隔振系统模态和缩尺试验模态对比。利用(13)中的数据作为标准，对(11)的原结构模型进行对比和校准，并进入(15)。
(15)判断模态设计合理。该项技术的主要目的是通过(14)中的信息录入和对比校准，判断是否高耸结构数值仿真结果是否设计合理，是否满足δ1≤[δ1]。如果不满足δ1≤[δ1]，则返回步骤(9)，如此不断的循环修正，直至满足δ1≤[δ1]，然后进入步骤(16)。
(16)立式高耸隔振系统气浮装置加入模型进行二次计算。在(15)的基础上，将气浮隔振装置在有限元精细化模型中进行激活，使之可以参与计算，并输入外界荷载获取结构动力响应信息。
(17)实际隔振系统振动变形量评估。根据(16)中的计算，对整体模型中关键考察点进行计算结果提取和处理，结果即为巨型高耸结构振动变形量的评估值。
应该理解的是，当在步骤(5)中判断不进行气浮隔振系统设计时，则不进行步骤(16)，而直接根据步骤(11)立式高耸结构模态计算分析的结果，对整体模型中关键参数进行计算结果的提取和处理，得到立式高耸结构振动变形量。
本发明主要基于微振动控制多级概念设计方法理论，引入了两道防线进行初步设计有效性判别机制。通过常规的设计方法，结合环境振动荷载测试和巨型高耸结构工艺条件，进行常规微振动设计，并利用减振率参数，对初步设计方案判别是否需要两道防线，也即是否需要进行单独的气浮系统设计。这样有利于将复杂结构分解成多个简单问题逐级处理，有利于保障振动控制方法实施后的有效性
由于巨型高耸结构微振动工程是系统工程，涉及到多尺度的问题，所以本发明通过两次精细化处理，即整体精细化和局部精细化处理，可以有效实现对系统工程的精细化建模，可以提高计算结果的精度。
另外，对于巨型高耸结构由于单凭数值计算很难保障设计方案的有效性，所以为了更有效的提高设计方案有效性，本发明中采用的缩尺试验模型进行模态等测试，并通过测试结果分析获取定性的规律性结论和定量的响应分布信息，以此和精细化数值仿真结果进行对比，对精细化模型进行修正和改造，最终改善了结构动力特性，有利于保证数值分析结果的可实施性和有效性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。