优化设计的框架核心装备了粘滞阻尼墙结构稳定支撑人类舒适风荷载条件下的性能

文摘

Megatall和超高建筑通常采用二级结构特征的超级油轮系统系统,和风致振动引起的适用性问题常常成为结构设计的主导因素。因为摩天大楼通常呈现弯曲的变形特征、粘性阻尼悬臂梁可以降低超高建筑的风致振动与少量的粘滞阻尼器的安装。然而,原型模型的时程分析考虑粘滞阻尼器的非线性特性是耗时,不利于对迭代优化设计。此外,传统的由一个悬臂梁简化模型不能用于粘性阻尼悬臂梁的分析和设计。在这项研究中,提出了一种简化的风致振动预测模型基于超级油轮的机械特性。这个简化的模型是一个飞机模型,包括核心墙和框架的大小可以从原始结构中提取。加速度参数分析表明,该简化模型具有较高的预测精度。最优设计方法结合简化模型,旨在最小化阻尼悬臂梁系统成本,提出了。提出了一种600米高楼建筑作为一个案例研究。简化模型的准确性和有效性,提出了优化设计方法的研究。 Thus, applying this optimal design method in combination with the simplified model can save significant analysis and design time and is conducive to the application of viscous damped outriggers in practical engineering.

1。介绍

普遍的结构体系采用超高(> 300)和megatall(> 600)建筑是框架核心墙结构体系,框架的特点是一个辅助系统1,2]。这种类型的结构系统往往伴随着阻尼支架,因为随着高度的增加,风致水平振动加速度的顶部结构更可能超过规定的代码;这是高层建筑的风致舒适性问题[1- - - - - -6]。有两个方法解决结构的风致振动舒适度的问题,即调整结构或采用能量耗散的动态特性和减振方案。减振方案用于控制风振动包括调谐阻尼方案与调谐质量阻尼器(TMD) [7,8)和能量耗散与粘滞阻尼器方案。因为高层建筑提出了弯曲的变形形状特点,相对于其他能量耗散机制(9),粘滞阻尼悬臂梁可以用更少的粘滞阻尼器减少风致加速度同时还产生一个减振效率高10,11]。

摩天大楼是由巨大的建筑特色的成本和难度,所以最有效的位置和最小数量的悬臂梁桁架关键设计问题。有必要开发一个简化模型来快速获得超高建筑的风致加速度衰减稳定支撑,因为时间历史原型的分析模型是耗时,不利于对迭代优化设计。例如,传统的风致加速度阻尼悬臂梁系统的设计需要反复迭代分析风随时间的变化。因为大量的自由度(自由度)的原型模型结构和粘滞阻尼器的非线性特征,分析需要2 - 3小时(12- - - - - -14)为每个每个优化迭代计算和6 - 7。因此,基本上需要2 - 3天在实践中设计阻尼排出系统。

目前,简化模型用于分析阻尼悬臂系统与主体结构之间的关系提出的棕褐色(15- - - - - -20.大多是基于一个连续的悬臂梁,这简化了整个结构single-DOF悬臂梁和添加一个垂直联系除了外伸梁的悬臂梁连接。然而,当前的简化的悬臂梁模型无法同时简化的关键因素,包括柱之间的距离和核心墙,普通悬臂梁的刚度和阻尼悬臂梁,柱的变形,是滞回变形的关键区别心墙和外围框架。有三个主要来源的垂直差异变形(13]。首先,排出旋转心墙弯曲时,第二个是悬臂梁本身弯曲载荷下,第三是外围mega-column变形下的轴向负荷。显然,这个模型不能准确地模拟阻尼悬臂梁的作用在控制结构风致响应。此外,该框架核心墙结构的特征是一个二级结构加载路径清晰,应该具体的简化方法。因此,一个简化的飞机模型由剪力墙和框架需要在这个特殊的研究。切片的概念模型可以追溯到Taranath [21)简化了结构和分析1974年带桁架的最优位置。陆et al。22)开发了一个二维非线性梁柱单元组成的简化模型和非线性弹簧非线性地震分析超高建筑的元素使用上海中心大厦作为案例研究。然而,结构成员的简化非线性参数由实验或仿真。在这里,是为了减少极端简化模型计算工作负载时产生使用细化有限元(FE)模型进行非线性分析。即使没有非线性,简化模型仍然需要在某些情况下,大量的超高建筑的再分析,如不同结构方案的比较,优化结构成员的维度,分析不同的输入负载和效果。在这种情况下,简化模型的参数应该有一个强大而直接对应于原始模型包括布局、材料、构件的尺寸。

在这项研究中,一个简化的模型和粘性阻尼的优化方法稳定支撑框架核心墙结构的风振控制建议。一个简化的降维模型,然后根据有限元结果进行验证。关键结构特性影响的动态行为,都有一个广泛的参数研究。结合简化模型,提出了一种优化设计方法以减少阻尼悬臂梁系统的成本。最后,给出了一个例子来说明的准确性和简化模型和优化设计方法的有效性。

2。理论基础和工程方法

2.1。框架核心墙结构的力学特征

最近,框架核心墙结构已广泛应用于高层建筑,包括金茂大厦(1999,上海,88层,421米),台北101(2004年,台北,101年的故事,508),上海中心大厦(2015,上海,128层,632米),广州周大福金融中心(2016年,广州,111年的故事,530),和乐天世界大厦(2017年,123年首尔的故事,555)(23]。

如图1框架核心墙结构系统的特征是一个辅助系统,也被称为初级和二级框架结构。框架的主要框架,它由mega-beams和巨型柱。二级框架是一个平凡的框架,它由小横截面的成员,和普通框架填充框架。几何尺寸、面积和惯性矩的主要框架远高于二级框架由一个数量级。巨型柱通常是由电梯井或大型横断面固体列。Mega-beams通常带桁架上设置每隔几个或多个层,和梁的高度一般占一个或多个层。心墙和外围列之间的连接由普通楼层梁和悬臂梁或横梁机械地板地板和庇护。一个普通的地板梁连接到列通常是通过铰链连接。一个悬臂梁是一种巨型梁的垂直于皮带桁架。

框架核心墙结构的力学特性如下:使用的悬臂梁的抗弯刚度桁架连接的列和核心墙很高,所以心墙的旋转角引起的横向荷载列会导致紧张或压缩。因为列之间的力的手臂很大,它提供了一个巨大的antioverturning时刻,大大减少了倾翻力矩由心墙。nonoutrigger桁架层的梁部分连接外部框架和核心墙太小,抑制柱变形,因此其贡献侧向抵抗系统可以被认为是可以忽略不计。同时,因为框架的侧向刚度之间的间距成反比加强层,框架的侧向刚度很小,心墙需要承担总水平剪切力。

2.2。粘性阻尼稳定支撑的概念

使用悬臂梁运动放大器的概念第一次被提出的史密斯和Willford [9英国奥雅纳]。如图2,有一个大的垂直变形差异外框架柱和刚性悬臂梁桁架从心墙在横向负载下,和它们之间垂直安装粘滞阻尼器来实现更好的能量耗散效应,这使得它重要考虑列和同时心墙。

2.3。动态分析和预测风振动加速度的理论

风振动的动态分析和预测理论可以导出如下(24]: 其中下标代表了j命令模式,是模态质量,模态阻尼系数,是模态刚度,模态风荷载时间的历史。模态风载荷谱 ,随机振动理论用于解决公式(1)在频域和风致加速度频谱可以获得 在哪里 传递函数,的圆频率激励频率,的圆频率是jth模式,阻尼比的吗jth模式。

解方程获得加速度均方值 ,按照下面的公式:

自从风致加速度反应是一个窄带过程,模态加速度的均方根可以近似所示 在哪里代表的归一化值模态形状高度z。

基于公式中的参数(4),一个简化的加速度预测模型框架核心墙结构阻尼的悬臂梁可以准确预测加速度同期在简化模型与原始模型模式形状和减少负荷的因素,模态质量,阻尼系数是一致的。保持同一时期与原始结构,刚度应该有质量的换算系数。

之间的刚度比的简化模型和原型模型可以确定通过静态荷载位移分析。可以验证的模式形状简化模型与原型相一致模型通过计算标准(MAC)模式的信心。此外,模式的前提与原来的形状是一致的模型,模态质量可以减少的因素是一样的质量减少的因素。

2.4。为风振舒适度设计标准

加速度的极限住宅公寓和办公/酒店在中国10年重现期风荷载下代码的技术规范混凝土结构高层建筑(25)是0.15 m / s²和0.25 m / s²分别如表示1。案例项目选择在这个研究是中国的项目,作为酒店。因此,需要满足结构的极限0.25 m / s²在顶点通过添加粘性阻尼稳定支撑。

3所示。简化的风致舒适性预测模型的框架核心墙结构

3.1。简化模型组成

它是合理的简化三维模型到二维耦合响应计划模型很小。结构是对称的,第一个扭转模态周期是比前两个模态周期短和扭转模态参与因子小于1%两个模态。所以,平方和的平方根(srs)方法,而不是完全二次组合(CQC)方法可以应用在这种情况下。

如图3,在这项研究中提出的简化模型简化了心墙的超高建筑剪力墙元素,可以模拟心墙在横向负载下的弯曲变形,而且mega-column简化为一列元素,剪力墙平面可以模拟mega-column在横向负载下的轴向变形。悬臂梁元素简化为梁,可以模拟self-deformation负载。只有一片原型模型的简化模型,只有横向抵抗系统的主要组件被认为是在简化过程。

3.2。结构成员的简化方法

简化模型有三个组件:墙、柱、梁。

墙上的简化模型具有相同的几何网络墙和翼缘墙的原型,在凸缘墙有效厚度= 6 *法兰壁厚+ web壁厚符合中国代码(26),见公式(5)。如果有一个窄巷道在web墙的中间,然后相信墙抗弯刚度削弱是相对较小的,墙上仍然同意部分假设,所以网络墙可以简化为一个集成墙的长度l_W,如图4。打开时相对较宽,开幕式应该被包括在简化模型的原始尺寸: 在哪里法兰壁的长度,是网络墙的厚度,法兰壁的厚度。

列在简化模型应该有相同的部分为原型,如图所示b和h在图4。单向反应,墙上的倾覆力矩飞机提供的列柱和墙之间的垂直距离成正比。因此,柱和墙简化为平面模型的列横向推到web墙平面。因此,在垂直方向上的距离是一样的原型,用H在图4。这样,3 d原型模型是浓缩的“切片”模式。虽然有四列在计划视图左边在原型模型中,只有靠近飞机的两列谁能提供大部分的阻力在那个方向考虑。首先,这两列有更大H,这意味着他们可以提供大的倾覆力矩。其次,连接梁的平面的核心和其他两个列只能通过扭转位移转移小弯矩。

如图5,核心和列之间的巨型梁的原型可以分为3类:一是刚性悬臂梁,一个阻尼悬臂梁,和一个没有排出。相应的简化方法不同。刚性和阻尼悬臂梁简化为正常梁刚度相同。该地区没有悬臂梁和柱之间的差距和阻尼悬臂梁简化为一个刚性杆两端释放模拟板提供的水平限制。

悬臂梁桁架简化为梁这三个原因。首先,简化梁是为了代表悬臂梁桁架和普通地板梁,也就是说,列之间的总协调效应和核心墙。由于桁架远远大于普通地板横梁,简化了桁架可以有效地模拟结构行为框架核心墙结构。第二,简化模型尽可能的简单,和梁元素容易编程比桁架和学习。第三,梁单元有一个明确的物理意义,对应的总协调效应而不是它的一部分,这使得它容易获得一个简化的模型通过调整梁的大小。如果使用这种简化方法在普通框架核心墙结构没有一个悬臂梁桁架,然后这个简化梁元素仍然可以用来表示列和墙之间的联系。

两个节点连接到核心墙限制和固定。然后,另一边上的负载将获得通过有限元法(FEM)分析变形,如图6。

基于弹性理论,悬臂梁的变形 ,在哪里P一端集中载荷,l成员的长度,E弹性模量,我抗弯刚度,h是梁的高度。当长度高度比大于5,方程可以简化为欧拉梁方程 (27]。因此,可以根据弹性back-calculated刚度方程,和光束大小和刚度可以进一步调整根据动态特性简化和原型模型的区别。

3.3。模拟阻尼器连接

在原型中,悬臂梁连接到心墙与阻尼器直接连接到列,如图7。外伸的分开,所以悬臂梁的变形与楼板无关。

图8显示了简化模型的阻尼器模拟。梁1是用来模拟悬臂梁。梁2、刚性杆,用于模型mega-column楼板水平限制。两端的转动位移释放,释放一端的垂直位移。通过这种方式,可以建模水平没有垂直限制梁2。

3.4。简化模型的适用性和鲁棒性

基于框架核心墙结构的力学特性,简化模型中的关键参数的灵敏度分析执行使用商业软件和开源软件“SAP2000 python。“作为一个例子,一个简化模型的超高建筑的维度部分所示5使用。质量保持不变而改变成员的刚度分析成员大小的影响仿真精度预测结果的准确性。简化模型的适用性和健壮性,演示了关键影响因素预测结果确定。

3.4.1。影响柱截面轴向刚度系数的结构

因为列之间的力的手臂很大,它提供了一个巨大的antioverturning时刻,大大减少了倾翻力矩由心墙承担。它可以推断出,柱的轴向刚度和角刚度结构的关键,体现的结构。如图9当轴向刚度减少了一半,这段时间增加1.2秒。虽然列结构刚度是敏感轴向刚度、横截面积和角度可以很容易地获得,可以用完全相同的方式表达为原型。

3.4.2。柱截面剪切刚度对结构的影响

自列有一个大长细比列只能提供弯曲变形的剪切能力,如图10从一半,改变部分剪切刚度双周期结构几乎没有影响;即模拟height-width比列的部分并不影响预测结果的准确性的关键因素的简化模型。因此,可以推断,尽管列的截面框架核心墙结构通常是不规则的,一个简单的方形或圆形截面可以用来代表的原型。

3.4.3。列截面抗弯刚度对结构的影响

由于柱的长细比相对较大,部分比心墙要小得多,这意味着提供的抗弯刚度提供的列远小于心墙,柱的抗弯刚度系数的结构性能影响较小。如图11翻了一倍,当柱刚度,降低到0.2年代,甚至当刚度减少到1/10,增加不超过0.5秒,这表明,弯曲刚度对结构刚度几乎没有影响;即模拟height-width比列的部分并不影响预测结果的准确性的关键因素的简化模型。因此,可以推断,尽管列的截面框架核心墙结构通常是不规则的,一个简单的方形或圆形截面可以用来代表的原型。

3.4.4。光束截面抗弯刚度对结构的影响

可以推断,光束截面的轴向力的影响更大,因为列是由光束传输的剪切力。图12显示,当光束太弱协调核心墙和外围框架,周期相当长,但当梁的线刚度远远大于列,期间不能增加。从图13,它可以推断出,在框架的正常大小的范围,悬臂梁的刚度远远大于列因为当刚度的双或一半,只改变了大约0.2秒。这个结果是按照悬臂梁通常占用一个或两个故事,等于5到10米,列部分通常范围从0.8到最多5米。因此,在常规的尺寸范围,光束截面足够大,其模拟的准确性对结果没有影响。

3.4.5。忽略了正常的地板梁对结构的影响

因为之间的铰接连接横梁和列不能抑制巨型柱的变形,即使在梁、柱是刚性连接的,普通楼层梁的协同效应可以忽略由于其小的横截面积。基于前面的论点,它可以观察到,即使梁的引入可以提高核心和列之间的协调效应也可以稍微提高列的弯曲和剪切刚度,结构刚度和周期的影响并不显著,这是显示在表2。

3.4.6。核心墙抗弯刚度对结构的影响

因为超高高,墙可以被视为悬臂梁成员,和抗弯刚度将极大地影响结构刚度。抗弯刚度主要由法兰决定的墙,而网络墙主要转移剪切力,类似于h型的。从表可以验证这一点3显著,这表明,周期从7.3下降到6.3年代当添加法兰壁没有法兰墙的简化模型。

3.4.7。墙抗弯刚度的影响模式的形状

比较相关的简化模型和原型之间的一阶模式,介绍了MAC的概念如下: 在哪里 , 是模式向量,T代表向量换位,下标我和j代表了我th和j分别th模式。MAC是越接近1,相关的两种模式。

法兰壁刚度系数改变,两个模型的数据提取。归一化阶模式形状绘制在图14和MAC值表中列出4。

结果表明,MAC值大于0.999的抗弯刚度墙双打或减少了一半。即模式分布不敏感的绝对大小简化模型墙和墙柱的相对刚度成员成员。很容易第一模式简化模型的形状类似的原型,这保证了简化模型的预测结果的准确性。从下面的图可以观察到,当法兰壁的刚度修正系数接近1,简化模型的形状是原型模型的接近,验证了法兰壁有效宽度方法的可行性。

基于上述研究,结论可以如下:(1)而不考虑二级结构,可以很好地模拟原型结构通过一个简化的平面结构由框架和剪力墙(2)梁的简化模型周期不敏感部分的大小和墙的弯曲和剪切刚度和列(3)柱的轴向刚度和角和墙的抗弯刚度的简化模型是保证预测精度的关键因素

4所示。优化设计的阻尼对舒适性性能稳定支撑

4.1。优化问题的定义

优化目标是获得最低成本粘性阻尼的悬臂梁系统中使用的主要结构风荷载舒适性控制。

粘滞阻尼悬臂梁系统的优化变量包括地板粘滞阻尼悬臂梁的布置,阻尼器数量在一个位置,粘滞阻尼器的阻尼系数。阻尼变形越大,能量耗散效应越明显的粘滞阻尼器,这意味着粘滞阻尼器优化布置可以提高粘滞阻尼器的利用率。成本相关的粘滞阻尼器阻尼指数,中风,和输出,中风相关的阻尼器的阻尼器的位置,和中风相关的输出阻尼器阻尼系数和阻尼指数。因为中风不明显不同于彼此在不同的楼层,从案例研究表明,阻尼指数用于风力工程应该足够小,速度时产生一个力相对较小的小风荷载下,阻尼器的阻尼系数作为一个简化的成本指数。此外,阻尼指数作为一个恒定值0.3是由于阻尼器的阻尼指数用于建筑行业一般大于0.3 - -0.5,因为当指数相当小,进一步降低指数需要主要处理技术的改进,但能源消耗效率只是增加了不到10% (28]。在这项研究中,假设阻尼悬臂梁桁架作为常规悬臂梁桁架具有相同的部分。因此,成本的阻尼器阻尼系数成正比。

的优化问题具有以下特点和前提根据主要工程实践:(1)驱动约束是顶点加速度,满足中国代码需求, 。(2)阻尼系数小于 根据常见的可用的产品参数。阻尼指数是0.3。(3)阻尼支架需要安装在设备层刚性支架,因为超级油轮需要刚性支架加强横向刚度。因为支架占用地上空间和阻尼器需要大修,并考虑建筑空间的可用性,支架通常位于机械地板和避难楼层只(29日]。一个或两个阻尼器可以连接在每个悬臂梁。也就是说,粘滞阻尼器的数量可以连接在每个位置是0,1,或2,0表示没有粘滞阻尼排出。添加粘性阻尼排出时,悬臂梁的大小是一样的刚性悬臂梁。(4)根据产品标准化的原则,所有阻尼器被认为是相同类型的;也就是说,所有的阻尼器阻尼系数相同,指数,和中风。

优化问题的数学模型可以表示为给定 在哪里 是一个二维优化变量和n是阻尼器的数量安排在可用的位置。如果n为0,这意味着没有阻尼器是安排在一个特定的位置。C阻尼系数。这个函数表示目标函数,它是粘滞阻尼器的成本要求的粘性阻尼排出;和代表了阻尼器的阻尼系数的安排我th - - -jth-numbered层;和阻尼指数是恒定的。

4.2。阻尼悬臂梁的控制效果的特征

这个问题具有以下特点,可以验证通过一个理想化的模型的阻尼器数量和阻尼系数可以随大范围如图15:(1)具有相同的阻尼系数,结构顶点的峰值加速度随阻尼器数量增加,如图(15日)。因此,当阻尼器阻尼系数确定,必须有一个最优的阻尼器数量呈现结构顶点的峰值加速度接近极限。(2)当阻尼器的数量是恒定的,结构顶点的加速度减小近似线性增加阻尼器阻尼系数,如图15 (b)。因此,当阻尼器的数量决定,必须有一个最小值的阻尼系数的峰值加速度,结构顶点达到极限值。

因为阻尼系统是一个额外的系统动态特性几乎没有影响的原始结构,当励磁小,阻尼效果几乎是线性阻尼系数成比例的。因此,优化方法应该利用最有效的位置,然后添加新的阻尼器根据效率序列。

4.3。优化方法的阻尼控制悬臂梁结构风致加速度

4.3.1。优化设计过程

粘滞阻尼悬臂梁的优化设计程序系统约束条件的风致舒适性分为四个阶段:(1)建立简化模型,进行静态负荷分析获得刚度的折减系数,这也是风荷载的换算系数,阻尼系数和质量。(2)粘滞阻尼器的位置和数量进行迭代,直到极限加速度小于代码;详细的设计过程4.3。2。(3)减少阻尼系数迭代直到加速度接近极限的代码。详细的设计过程4.3。3。

优化设计的流程图如图16。

4.3.2。优化的数量和位置通过灵敏度矢量算法(上海广电)

年代₀被认为是建筑的状态没有阻尼稳定支撑,然后呢一个₀是一行矩阵,由目标加速度的故事,对应于状态年代₀。一个₀可以每个故事的加速度,或者不同的功能组成的建筑是一个复杂的建筑,然后呢一个₀可以每个函数的顶层加速度的区域。以同样的方式,年代_我代表的状态与阻尼支架设置在建筑我^th区,一个_我对应的状态年代_我。当稳定支撑,可以标记为下标位置。例如,年代_2,6意味着稳定支撑设置在区域2和区域6中,和一个_2,6对应的加速度的状态年代_2,6。这时,一个无量纲矢量称为灵敏度可以定义如下: 在。/代表相应物品的部门。

灵敏度矢量r_我反映了阻尼悬臂梁的贡献区我目标加速度的故事。由于阻尼稳定支撑不引起刚度和附加阻尼比通常是不到5%,每个阻尼悬臂梁的贡献对整个结构可以被认为是彼此独立的。这个结果也可以看到在图15。因此,结合悬臂梁的贡献中设置不同的区域可以表示如下: 在哪里表示乘法相应的物品。

然后,建筑的加速度与悬臂梁的任意组合一个_{i, j, k}可以很容易地获得只要单一向量灵敏度吗r_我,r_j,和r_k计算。这种加速可以表示如下: 在哪里表示乘法相应的物品。

最后,选择有利的安排建筑的加速度约束,灵敏度矢量算法方法列出如下:(1)加速度的计算结构没有支架和一个悬臂梁组在每个区域(2)使用公式(7)获得每个悬臂梁的敏感性(3)使用公式(8)和(9)获得的加速度稳定支撑的任意组合(4)选择从所有的计划,最好的方案可以获得一定数量的稳定支撑(5)检查约束和计划获得的加速度在4,阻尼稳定支撑的方案最少的数量在这个阶段将是最终的选择

4.3.3。优化的阻尼系数

当顶点加速度小于代码限制,阻尼器的数量保持不变,固定最大的粘性阻尼系数降低到合适的值满足舒适极限。因为结构的响应是大约线性阻尼系数,阻尼系数可以确定下一次迭代通过线性插值方法,如图17。的方法是,当结构与粘滞阻尼器的阻尼系数和 ,相应的结构顶点的加速度和 。与此同时,加速度限制结构的顶点 ,和阻尼系数可以重新评估使用公式(10)。更新了阻尼系数的简化模型,并重新计算结构的峰值加速度。当之间的区别 和小于1%,即。,0.25 m / s²选择,最优阻尼器的阻尼系数 ,停止迭代。

优化阻尼系数可以根据以下方程:(1)确定这是第一次降低阻尼系数,如果是这样的话,执行步骤(2);否则,执行步骤(3)。(2)更新阻尼系数根据公式(10),再分析结构。然后,跳到步骤(4): (3)更新阻尼系数根据公式(11),再分析结构。然后,跳到步骤(4): (4)确定是否收敛条件(12)和(13)在同一时间感到满意。如果是这样,停止迭代;如果没有,回到第一步:

在这里,是第i个迭代的峰值加速度,是第i个迭代的阻尼系数,的代码限制峰值加速度下10年重现期风荷载。

5。案例研究

5.1。项目概述

提出了一种megatall建筑作为一个案例研究;结构在地上138层,598米高。商业建筑的结构是一个复杂的区域,在中间区域办公室,酒店较高的区域。剪力墙的侧向抵抗系统由核心墙,巨型柱,带桁架、刚性支架,如图18。垂直结构划分为12个区。每个区都有一个带桁架,有五个刚性稳定支撑区5,7,8,9,11,显示在表5。表6给出了悬臂梁的大小原型。体系结构内边界限制,粘性阻尼排出只能安排在6个地点没有刚性悬臂梁,即。,区域1、2、3、4、6和10,每个分区最多8个阻尼稳定支撑。一个或两个粘滞阻尼器可以安排在每个潮湿的悬臂梁。图19显示了一个典型的布局。表7报告结构剪力墙的大小。表8礼物的大小结构列。在这种情况下,两个方向的结构基本上是相同的,所以只有一个方向被认为是在接下来的优化过程。

返回时间是10年,风压力是0.30 kN / m²由风环境参数通过这个项目。自顶部区域被用作酒店、风振动加速度限制为0.25 m / s²。

风荷载可以被认为是一个平稳随机过程。在计算加速度的均方根历史时间乘以评估峰值加速度峰值因素。在这种情况下,峰值因子是2.5。计算表明,该控制结构的峰值加速度达到0.36 m / s²10年风荷载下,如图20.,这超过0.25 m / s的极限²的代码。

数值分析参数列出如下。时间的历史分析方法快速非线性分析(FNA)。力和能量收敛公差e-5(相对)都是1。迭代的最大限制是100。原结构的阻尼比是0.02。历史时间的输入和输出都有10000点相同的间隔0.55秒。

5.2。简化模型的风致舒适性的预测

墙壁、列和稳定支撑的原型应该相应地简化墙壁,列和梁的简化模型。

柱和墙成员很容易简化,因为尺寸是一样的原型。报告的维度表9。

梁的成员,该地区没有一个悬臂梁简化为刚性杆两端释放铰链。悬臂梁简化为一个混凝土梁成员。根据上述方法,悬臂端垂直变形是8毫米,和back-calculated悬臂梁的抗弯刚度 。假设简化模型的高宽比是2,梁的大小 毫米。桁架的原型是简化为表中给出的混凝土梁10。

根据成员的大小在上面的表中,简化模型可以构造。有限元模型如图21。

负载的换算系数、质量和阻尼系数是另一个关键参数简化模型除了成员的大小。的简化模型只是一片原型,结构刚度较小,相同荷载下的变形将会更大。刚度折减系数相对于故事的原型模型是比位移的两个相同的静态负荷模型。只有12个故事简化模型,原型数据提取相应的带桁架层。图22显示的比例最高0.66点位移的两个模型。因此,降低刚度的因素,负载,质量,阻尼系数是0.66。

5.3。风致加速度的比较和验证简化模型的预测精度

演示的简化模型的适用性分析阻尼悬臂梁的振动控制系统,两个阻尼器排列在每个悬臂梁在区域4中,6和10阻尼指数为0.3和500 kN /阻尼系数(毫米/秒)^0.3。风荷载时程分析进行比较峰值加速度,表中给出11和图23。最大加速度顶部的两个模型是相似的,有一个一致的趋势,这表明简化模型可用于优化阻尼悬臂梁的分析系统。

5.4。优化的阻尼排出系统

灵敏度矢量算法(上海广电)摘要介绍了可以帮助设计师快速确定阻尼悬臂梁的最有利的安排。在这个建筑,只有必须考虑顶点加速度,所以目标故事加速度矩阵一个_我和r_我可以简化为标量。的r_我值可以通过数据表计算11和展示在表12。

研究结果表明,悬臂梁的位置区4是最有效的减少顶点加速度。然后,灵敏度标量可以很容易地根据公式计算(8)。阻尼的有利的安排,获得了悬臂梁表中列出13。表13还提出了阻尼系数的500 kN /(毫米/秒)^0.3,顶点加速度峰值的代码限制无法完成,所以阻尼系数700 kN /(毫米/秒)^0.3用于实际的优化。

根据阻尼有效的顺序,我们可以安排上的阻尼器简化模型的试验和错误的方法来检查这股东价值分析方法。首先,安排一个阻尼器的阻尼系数700 kN /(毫米/秒)^0.3悬臂梁的两端带4。加速度是减少到0.349 m / s²,仍超过限制的代码。添加第二个阻尼器两端的悬臂梁区4。现在,加速度是减少到0.292 m / s²,仍超过限制的代码。然后,添加另一个阻尼器阻尼悬臂梁的两端带6。迭代是持续到4^th迭代,直到结构顶点的峰值加速度小于极限的代码。然而,阻尼的成本系统阻尼系数成正比,和我们可以看到,优化,持续到加速度满足完全代码限制0.25米/秒²。

迭代后,两个阻尼器的阻尼系数665 kN /(毫米/秒)^0.3两端的阻尼悬臂梁在区4区6中,这是16或32阻尼器阻尼器在每一个方向,可以减少加速到0.25 m / s²以满足限制的代码。加速迭代如图24。表14介绍了位置、数量和阻尼系数在迭代的每一步。比较结构顶点加速度有无阻尼支架图所示25。

图26显示区域的磁滞回路4和6迭代后,它可以观察到的位移和输出区4大于那些区6。

5.5。验证阻尼悬臂梁的优化设计方法

来验证简化模型的预测精度,阻尼悬臂梁位置的相同的迭代过程,阻尼,阻尼系数是进行原型,报道在表15。表16和图27现在对比的顶点加速度峰值前四迭代步骤,在原型和简化模型的参数是一样的。两个模型之间的误差小于10%的五套比较数据。从原型的简化模型几乎没有差异,这意味着简化模型可以准确预测顶点加速度峰值。

最后,7次迭代原型后,阻尼支架被安排在4和6区有两个阻尼器在每个悬臂梁和阻尼系数635 kN /(毫米/秒)^0.3。此外,简化模型产生一个解决方案的优化设计的阻尼稳定支撑也安排在4和6区有两个阻尼器两端的悬臂梁的阻尼系数665 kN /(毫米/秒)^0.3。阻尼的阻尼器有相同的位置和数量稳定支撑,和不同阻尼系数仅为4.7%。

除了精度,简化模型大大提高了迭代效率。在设计过程中,每次迭代需要风的重新计算时间的历史。通常需要2 - 3小时为每个非线性计算过程和大量的自由度和6 - 7次迭代优化,它需要2 - 3天完成阻尼悬臂梁系统的设计。而简化的模型要小得多自由度的数量,每个迭代计算的时间将大大减少。在这种情况下,每次迭代的计算过程大约需要3分钟使用简化模型。考虑到简化过程从原型模型简化加速度预测模型,总时间完成阻尼悬臂梁系统的设计使用简化加速度预测模型是3 - 4个小时。

6。结论

本研究提出了一个简化的模型预测超高建筑的风致舒适性和粘性阻尼悬臂梁系统的一种优化设计方法基于这个模型。以一个实际的超高为例,简化模型的准确性预测风致振动舒适性和效率的优化设计方法对粘性阻尼悬臂梁系统基于简化模型。主要结论如下:(1)基于框架核心墙结构和力学特性的粘滞阻尼的特点悬臂梁系统连接到主体结构的简化模型预测超高建筑的风致舒适性提出了研究。主要横向抗超高的成员,墙,和列作为简化模型的组件,在这种方式,复杂的三维超高模型简化为一个简单的二维平面模型,同时保持超高的变形特性。通过动力学方程的推导过程,关键因素影响加速度预测结果的准确性简化模型的周期和振型的简化模型与原始模型是一致的,和减少负荷的因素,质量,与刚度阻尼系数是一致的。分析表明,结构的动态特性对简化组件的误差大小。(2)一个优化设计方法的基础上,提出了简化加速度预测模型。这种方法可以获得最优位置的粘滞阻尼排出,阻尼器的最优数量和最优阻尼器的阻尼系数的约束条件下结构舒适和最小系统成本。(3)优化过程主要包括优化阶段的粘滞阻尼器的位置和数量固定的粘性阻尼系数和粘滞阻尼系数的优化过程后确定的位置和数量。数量和位置的优化阶段采用灵敏度矢量算法。提出了优化的假设和约束条件根据实际工程条件。(4)以超高建筑为工程实例,采用优化设计在这项研究中,提出简化模型的准确性和效率的优化设计方法进行了验证。这种方法可以获得最优参数,提高设计效率,降低项目成本,节约社会资源。

数据可用性

分析数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

y杨负责概念化和写作。李7月进行概念化。赵x和天气。施提供监督。

确认

作者感谢上海优秀学科的支持(没有领袖项目。14 xd1423900)。

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