《考虑舒适度的大跨楼盖MTMD系统混合优化设计》-工学论文，振动工程论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

考虑舒适度的大跨楼盖MTMD系统混合优化设计

范文

陈鑫　李爱群　张志强　周广东　操礼林

摘要：围绕大跨楼盖多重调谐质量阻尼器（Multiple Tuned Mass Dampers，MTMD）系统的设计方法开展研究。首先，建立了某高铁站房商业夹层的结构有限元模型，对其动力特性和振动舒适度进行了分析；随后，基于遗传算法（Genetic Algorithm，GA）和模式搜索算法（Pattern Search，PS）构建了混合优化算法A（Hybrid Algorithm A，HA）和混合优化算法B（Hybrid Algorithm B，HB），并基于此建立了大跨楼盖MTMD减振优化设计方法；最后，通过数值算例对比了4种算法的寻优能力和稳定性，并分析了设置MTMD系统后，大跨楼盖加速度响应的分布和衰减规律。研究表明，对于质量、刚度等分布不均匀的复杂大跨楼盖，振动响应规律与一般楼盖有一定的差异；在相近的重分析次数下，利用HA得到的最优值平均为0.653，小于利用GA和PS得到的结果；设置MTMD系统后，大跨楼盖响应较大区域内的节点加速度均有所降低，最大衰减超过了30%。

关键词：人行荷载；大跨楼盖；舒适度；MTMD；混合优化算法

引言

在公共建筑中，广阔的使用空间一直是设计师所追求的效果之一，因此，近年来在会议中心、体育馆、文化中心、火车站房等建筑的设计中，大跨度的楼盖被广泛采用。作为大跨楼盖结构设计中经常采用的一种结构形式，组合楼盖具有跨越能力大、质量轻、经济性好等特点，但同时也带来了阻尼小、基频低等缺陷。如果设计不当，楼盖会在人的行走、运动和使用过程中出现较大的振动响应，特别当楼盖自振频率接近行人的主要步频时，易产生共振，从而引发人体的不适反应，形成了组合楼盖的振动舒适度问题，近年来引起了众多设计和研究人员的关注。

为了评价结构在人致荷载作用下的振动舒适度，众多学者开展了单人行走、人群荷载、单人跳跃等人致激励模拟方法的研究。以此为基础，除了常规的时程分析方法，又建立了响应谱方法、概率分析法、人-結构耦合振动分析法、简化分析方法等多种方法用于分析结构在人致荷载作用下的动力响应。随着荷载模拟和响应分析技术的成熟，相应的一些成果逐渐被写人各类规范和规程中，Nimmen等利用8座柔性步行桥的理论计算和实测结果，对比分析了欧洲规范和法国规范中人致响应计算方法。中国相应的技术规程《建筑楼盖结构振动舒适度技术规范》也正在制定之中。

针对这类大跨度结构的振动问题，常用的处理方法主要有两个：一是结构设计的方法，如增加梁截面以改变结构动力特性；另一是振动控制的方法，如设置调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）。近年来，在大跨结构振动问题的处理方面，越来越多的工程开始采用TMD作为技术措施。因此，大跨结构TMD控制的优化设计方法越来越多地受到关注，樊健生等通过人群荷载功率谱密度分布求得人行桥的均方根加速度，然后将其作为目标函数提出了多重调谐质量阻尼器（MTMD）阻尼比和频率比任意分布的优化表达式，并采用遗传算法求解该问题。徐若天等利用有限元获得楼盖模态后再由振型分解法计算移动步行荷载引起的结构响应，进一步结合遗传算法，研究考虑结构动力特性变化的MTMD参数优化问题。然而，多数的研究者在研究过程中，将大跨结构的分析模型进行了简化。基于简化模型的优化结果对于规则的桥梁和楼盖结构是适用的，但对于荷载和结构平面布置不规则、响应受高阶振型影响较大的复杂大跨楼盖，结果往往不是最优；同时，多数的研究中均假定TMD中所用的阻尼器为线性黏滞阻尼器，而在实际应用中采用非线性黏滞阻尼器的情况并不少见，相较于线性黏滞阻尼器，其相同输出力下的耗能能力更加优异。

因此，本文针对大跨组合楼盖振动舒适度的MTMD控制问题，开展优化设计方法研究。首先，针对某高铁枢纽站的中间商业平台，分析其在人行荷载作用下的舒适度；随后，基于混合优化算法，建立了大跨组合楼盖的MTMD控制优化设计方法，并直接基于有限元模型编制了优化设计程序；最后，利用所提出的设计方法，开展了大跨组合楼盖的MTMD减振优化设计的算例研究，讨论各算法的寻优能力和稳定性。

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