一种高层建筑结构振动控制优化方法

本发明涉及高层建筑结构振动控制领域，具体涉及一种高层建筑结构振动控制优化方法。

背景技术：

1、当前，我国城市化进程不断加快，对高层建筑甚至超高层建筑的需求越来越大，然而高层建筑结构大幅振动问题仍时有发生，此类现象往往伴随着人群恐慌，造成不良的社会影响，同时也增加了人们对高层建筑大量修建的担忧，如2021年5月18日深圳市赛格大厦(图1、图2，大厦总高355.8米，总建筑层79层，地上75层，地下4层)振动事件，商户在35楼、55楼、60楼多个楼层感受到晃动，房间内落地电风扇设施有明显摇晃，虽未造成人员财务损失，但相关视频在互联网迅速传播并成为热搜，事后调查发现大厦顶部楼板及桅杆连接点累积损伤使结构频率、阻尼比特性改变，导致桅杆(天线)和大厦产生共振。

2、高层建筑结构振动问题由来已久，理论研究主要包括振动响应、共振及鞭梢效应三个部分，然而实际工程中人们通常会采取改善结构外形、提高结构较高抗力、施加阻尼器附属减隔震装置措施，致力于结构振动响应控制(减小结构最大振幅值)，使其满足设计要求。针对结构更深层次的共振问题，尤其是高层建筑顶部附属设施(顶部水塔、桅杆、通信装置)潜在的鞭梢效应问题，尚无成熟方案可循，其决策水平也因此有待进一步提升。

3、因此，本发明在已有致力于振动响应控制的高层建筑结构振动控制一般性方法的基础上，考虑高层建筑更深层次的共振问题及顶部附属装置鞭梢效应问题，进一步提出高层建筑结构振动控制优化方法，对实施更有针对性的设计、维护、管理十分必要。

技术实现思路

1、本发明目的是为进一步实施高层建筑结构科学设计、维护及管理决策，解决已有建筑结构振动控制一般性方法存在的仅片面考虑振动响应控制、忽略共振及次级共振控制问题，提出一种高层建筑结构振动控制优化方法，即在已有致力于振动响应控制的高层建筑结构振动控制一般性方法的基础上，还需使结构固有频率远离常见外部激励荷载作用频率及顶部附属设施振动频率，避免共振或由顶部附属设施鞭梢效应诱发的次级共振。

2、现有的实际工程中致力于结构振动响应控制的高层建筑振动控制一般性方法。

3、(1)提升结构抗力。令rmax表示结构在外部激励荷载(地震荷载、风荷载)作用下的振动响应，可取结构应力响应、结构位移响应，即rmax表示结构在外部激励荷载(地震荷载、风荷载)作用下的最大响应值，当结构在初步设计时，若有rmax≥rdesign，此时结构不安全。需要采取措施，可增加结构杆件截面面积、增大配筋，以增加结构抗力，最终使rmax≤rdesign，确保结构安全。

4、(2)加强结构外形设计。考虑风荷载作用，令λ表示结构断面风阻系数，当数值模拟或风洞试验结果显示，若结构此时存在rmax≥rdesign，则需要进步完善结构杆件外形，可采用偏平截面，必要时需要增设风道，务必降低风荷载的影响，使rmax≤rdesign，确保结构安全。

5、(3)施加阻尼器附属减隔震装置。通常高层建筑在外部激励荷载作用下的最大位移出现在建筑顶楼，此时，令r0max表示结构顶楼最大位移，r0design表示人群心理能承受的最大振动幅度，即当结构振动幅度r0max大于r0design时，人们将感觉到不舒适，甚至会产生恐慌，即使此时结构处于安全状态。面对此种情况，人们通常会在建筑顶楼安装巨大的减振阻尼装置，以减少结构振动幅度，使确保结构使用舒适度。

6、为达到上述目的所采取的技术方案是：

7、一种高层建筑结构振动控制优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

8、a.首先进行振动响应分析,令r表示结构在地震荷载或风荷载作用下的振动响应，可取结构位移、应力、应变、加速度参数，rmax表示结构在外部激励荷载作用下的最大响应值，rdesign表示结构响应设计值，通过提升结构抗力、加强结构外形设计、施加阻尼器附属减隔震装置，确保rmax≤rdesign，实现高层建筑结构振动响应控制；

9、b.其次进行共振分析，令θ表示外部激励简谐荷载作用频率，ω分别结构振动固有频率，当结构固有频率与结构外部激励荷载作用频率接近时，即结构将出现共振；分析常见外部激励荷载作用频率值范围，考虑结构杆件冗余度及约束条件优化结构固有频率，使结构固有频率远离外部激励荷载频率，即或避免结构与外部作用荷载共振，实现结构与外部作用荷载共振控制；

10、c.然后进行鞭梢效应分析，令r1表示结构顶部附属设施，包括桅杆、通信装置、水塔，在地震荷载或风荷载作用下的位移响应，而r0表示结构在地震荷载或风荷载作用下的位移响应，r1≥10r0，即出现鞭梢效应；分析此类附属设施的振动频率值范围，考虑结构杆件冗余度及约束条件优化顶部附属设施振动频率，使其远离结构固有频率，即二者之差绝对值大于0，以免顶部附属设施鞭梢效应诱发结构产生次级共振，实现结构与顶部附属设施次级共振控制。比如取顶部附属设施刚度为k1、质量为m1，结构的刚度为k2、质量为m2。当k2、m2为k1、m1的倍数关系，取k2≥90k1，m2≥90m1，将出现r1≥10r0，即出现鞭梢效应。

11、进一步，所述步骤c中顶部复杂附属设施体系次级共振分析时，注意常年风吹日晒、年久失修引发结构损伤累积，从而导致其振动频率改变，致使其与结构固有频率接近或相等，引发次级共振。

12、本发明专利所具有的有益效果为：

13、本发明为一种高层建筑结构振动控制优化方法，可首先考虑现有提升结构抗力、加强结构外形设计、施加阻尼器附属减隔震装置的一般性方法，实现振动响应控制，需通过使结构固有频率远离常见外部激励荷载频率以及结构顶部附属设施振动频率来最终实现结构的高效振动控制。本发明考虑高层建筑更深层次的共振问题及顶部附属装置鞭梢效应问题，提出高层建筑结构振动控制优化方法，也是对已有致力于振动响应控制的高层建筑振动控制一般性方法的补充和完善，有助于更科学、更有针对性的设计、维护及管理。

技术特征：

1.一种高层建筑结构振动控制优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高层建筑结构振动控制优化方法，其特征在于，所述步骤c中顶部复杂附属设施体系次级共振分析时，注意常年风吹日晒、年久失修引发结构损伤累积，从而导致其振动频率改变，致使其与结构固有频率接近或相等，引发次级共振。

技术总结
本发明专利公开一种高层建筑结构振动控制优化方法，首先振动响应分析,通过提升结构抗力、加强结构外形设计、施加阻尼器附属减隔震装置，确保结构响应最大值大于等于结构响应设计值，实现振动响应控制；其次共振分析，考虑结构杆件冗余度及约束条件优化结构固有频率，使结构固有频率ω远离外部激励荷载频率θ，即或实现结构与外部作用荷载共振控制；然后鞭梢效应分析，考虑结构杆件冗余度及约束条件优化顶部附属设施振动频率，以免顶部附属设施鞭梢效应诱发结构产生次级共振，实现结构与顶部附属设施次级共振控制；本发明考虑高层建筑的共振问题及顶部附属装置鞭梢效应问题，是对已有振动响应控制的高层建筑振动控制一般性方法的补充和完善。

技术研发人员：靳启文,孙艺利,薛晓锋,蒋文静,王统宁,崔欣,赵东晨,方玉恒,陈家豪,静行,丁永刚,贺拴海
受保护的技术使用者：河南工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13