一种高层混凝土建筑结构的优化设计方法

本文提出了一种有效实用的，对多层及高层混凝土建筑结构进行自动优化设计的算法，这种算法以有限元分析为基础，有机地结合了目前较流行的优化方法－一种严格推导的优化准则进工程师强有力的设计工具，它将结构构件的截面尺寸作为设计变量，在构件单元的强度，多层间的偏转角和位移，以及构件单元尺寸的限制等约束条件下，求解以结构重量为目标函数的最优解，一些算例表明此算法十分有效，可靠，可适用于大型高层混凝建筑结构的分析     

一种桥梁结构动力特性修改逆问题求解方法

本文研究了修改桥梁结构设计参数，使其自振周期和振型满足预先给定设计要求的动力特性修改过问题，提出了一种求解方法。在建立桥梁结构有限元动力学模型的基础上，该方法利用模态理论的正交关系与特征关系导出动力特性修改逆问题求解方程，然后，用矩阵广义逆技术求解。应用实例表明，本文方法具有较高的精度，是一种简便有效的桥梁结构动力特性修改逆问题的求解方法。     

密肋复合墙板支撑框架结构自振周期计算方法

密肋复合墙板支撑框架结构是由框架与其内部嵌入的密肋复合墙板组成的一种双重抗震结构,框架内部嵌入复合墙板所组成的受力构件,其变形特征不同于普通框架和剪力墙,由此导致结构的自振周期计算方法不能直接按照一般框架-剪力墙结构进行计算。本文以Timoshenko双变量梁理论及协同工作模型为基础,建立了复合墙板支撑框架结构的频率方程,结合边界条件导出了结构的自振周期计算公式,并给出了基本自振周期的近似计算方法。算例分析表明：复合墙板支撑框架结构自振周期受复合板抗剪刚度影响较大,且影响随着振型的增加而增大,高振型时复合墙板剪切变形的影响不可忽略;采用似计算方法计算基本自振周期的误差不大,可以满足工程计算精度要求。     

基于环境激励法的高层钢筋混凝土剪力墙结构自振周期经验公式研究

基于环境激励法对97栋高度在45 m~100 m的高层钢筋混凝土剪力墙结构进行动力性能测试,识别结构在水平纵、横两个方向上的基本自振周期、第二阶自振周期和第三阶自振周期。对前三阶自振周期进行回归分析,分析各主轴方向上高宽比对前三阶自振周期的影响,给出水平纵、横两个方向上前三阶自振周期的经验公式及其分布范围,给出统计学意义上的高阶自振周期与基本自振周期间的关系,并利用两个相关结构算例对公式的可靠性、有效性进行验证。该文的研究是对《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）中结构自振周期经验公式相关规定的补充和完善。     

基础摩擦滑移隔震结构起滑加速度研究EI北大核心CSCD

起滑条件是影响滑移隔震结构动力响应特性的重要参数,也是滑移隔震结构性能化设计研究的理论基础。采用两自由度模型模拟滑移隔震结构,基于动力时程分析方法,分析了隔震结构参数(包括自振周期、质量比和摩擦系数)和地震动参数(包括反应谱特征周期和近断层地震动脉冲)对隔震结构起滑加速度的影响。结果表明:结构参数比地震动参数对起滑加速度的影响更明显。隔震结构的起滑加速度-自振周期曲线分为下降、水平、上升和先上升后水平4段。所选地震动集激励下,当自振周期小于1.4 s时,相同自振周期结构的起滑加速度随质量比的增大而减小;大于7.8 s时,起滑加速度随质量比的增大而增大。起滑加速度随摩擦系数的增加而等比例增大。基于分析结果,采用分段拟合方法建立了起滑加速度计算公式,公式计算结果和多自由度结构算例的时程分析结果吻合良好。研究成果可为滑移隔震结构的起滑条件研究和结构设计提供参考。     

高层建筑结构动力稳定分析中自振周期的简化计算

对复杂的高层建筑结构非线性动力稳定分析中结构自振周期的计算和确定，提出了一种实用的简化方法，工程算例表明，本方法实用简便，又满足工程计算精度要求。     

上海市典型高层建筑结构基本自振周期测试与回归分析

高层建筑的基本自振周期是十分重要的结构动力特性,通过对特定结构形式的高层建筑进行现场测试,归纳总结一定规律,给出结构自振周期经验公式,可快速估算结构的动力特性及其承受的地震作用和风荷载。基于上海市9幢典型高层建筑的动力性能现场测试数据,识别了结构的基本自振周期并进行了统计分析;针对现行规范中有关高层框架-剪力墙结构的基本自振周期经验公式是基于高度在50 m以下的结构实测数据拟合而成的现状,给出了高度在30～130 m之间的结构在水平纵横两个方向上的基于结构高宽比的基本自振周期经验公式;首次给出了高度在90～190 m之间高层框架-核心筒结构在水平纵横两个方向上基本自振周期经验公式。给出的公式可供结构设计人员在高层建筑的初始设计阶段参考使用,该公式是对我国《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)的补充和完善。     

燃爆作用下板的动力响应分析

随着城镇燃气的普及，燃气事故也愈加频繁，对结构也造成了一定的破坏，因此确定燃气爆炸荷载的取值是非常必要的。由于燃气作用主要表现为压力波，其升压时间在１００毫秒量级左右，而构件的自振周期在１０毫秒量极。本文通过构件弹性响应的推导，认为最大的动力响应发生在压力波的峰值附近，其大小介于静载和突加荷载之间，最后给出了计算的公式。     

爆破振动对高层框架-剪力墙结构的影响

为了明确爆破冲击波对高层建筑结构构件及其施工安全性的影响,以广东以色列理工学院二期校区爆破工程为例,基于建筑物地表及典型结构构件监测数据,采用回归分析对高层建筑典型结构构件振动规律进行研究。研究表明:随着距爆源水平距离的增加,垂向、径向和切向振动速度逐渐减小且衰减趋势相似;结构局部振速存在放大效应,在距地高程相同的情况下,随着结构构件与地基的自振频率比值的减小,其振速比逐渐增大;在结构构件与地基的自振频率比值相同的情况下,随距地高程的增加,结构构件与地基的振速比呈线性增长。     

水中桥塔波浪作用动力模型试验相似方法与模型设计方法

针对跨海桥梁桥塔结构波浪作用动力模型试验研究方法,通过分析水中结构动力模型试验相似原理,提出了桥塔结构动力模型试验的相似方法与模型设计方法。基于此,设计制作了一大型跨海斜拉桥桥塔结构的动力模型,并利用该试验模型进行了结构动力特性试验和波浪作用动力响应试验。动力特性试验结果表明:试验测得的结构主要自振频率与原型结构设计自振频率相接近,试验模型结构能较好地模拟原型结构自振特性。波浪作用下模型结构的基底受力和运动响应与原型结构相应的数值计算结果大致吻合。试验结果验证了提出的模型试验相似方法与模型设计方法的可行性,对跨海桥梁结构的水弹性模型试验研究具有应用和借鉴意义。     

高层建筑风振控制基于规范的实用设计方法

在建立了设置被动减振装置的高层建筑风振控制效果结构等效阻尼比计算公式的基础上,依据《建筑结构荷载规范》和高层建筑结构设计规程提出了设置被动减振装置高层建筑风振控制基于规范的实用设计方法。应用本文方法对设置矩形ＴＬＤ的上海中环广场超高层建筑的计算结果表明：本文方法具有简单、直观,且可与常规的结构抗风设计结果进行直接比较的特点,是风振控制规范化的一种设计方法,完全可为广大结构工程师所接受。     

防晃水箱控制高层建筑风振响应研究

防晃水箱作为一种新型调谐流体阻尼器,是在一般水箱内安置环形防晃板,在高层建筑顶部设置这种水箱可以增加阻尼,减小建筑物的振动响应。本文应用数值模拟技术对高层建筑物的顺风向和横风向风载进行了时程模拟,考虑了水箱和结构间的动力耦合作用,分析了水箱对高层建筑物风响应的控制作用,为强风下研究高层建筑物的舒适性和安全性提供了一个有效的分析过程,也为合理设计防晃水箱提供了理论依据。     

高层建筑抗风优化设计和风振控制相关问题研究

高层建筑由于自振周期长、阻尼小,其高柔的特征使其对风荷载特别敏感,风荷载是沿海地区超高层建筑的主要水平控制荷载,因此在强/台风作用下,其抗风设计须在满足规范安全要求的前提下,同时又要经济实用和结构性能高效,为此,开展高层建筑抗风优化和风振控制方面的研究具有十分重要的现实意义。该文在对高层建筑抗风优化设计和风振控制研究现状做简要介绍的基础上,首先根据风荷载的特点,着重研究了考虑风速风向联合概率分布和基于可靠度及性能化的高层建筑抗风设计方法,采用最优准则法,以结构的总重或总造价为目标函数,以顶部位移、层间侧移以及顶部风致加速度为约束条件,对高层建筑结构杆件截面抗风优化设计的相关问题进行了研究。同时为提高基因遗传智能优化算法的收敛速度和获得最可能优化解,该文提出了传统基因遗传的改进算法(如基于改进罚函数及分级遗传算法)用于结构抗风优化设计。在结构拓扑抗风优化方面,则主要引入分层优化的概念,对变密度法和改进动态进化率的双向渐进拓扑优化方法,应用于抗风结构的拓扑构型优化算法进行了相关研究。通过实例分析验证了上述结构抗风优化算法的高效和正确性。在风振控制方面,该文结合摩擦摆系统和调谐质量阻尼器各自的优点,提出了摩擦摆调谐质量阻尼器(FPS-TMD)被动控制系统,对其力学和动力特性,以及高层建筑顶部带FPS-TMD系统的风振控制理论,进行了相关研究。以结构控制第三代Benchmark模型为实例,研究顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振控制效果,同时结合该文开发的基于小型电振动台的实时混合实验测试平台,采用风振控制实时混合实验结果与理论模拟计算结果的对比,验证了该文提出的FPS-TMD被动控制系统,应用于高层建筑风振控制的有效性。     

我国高层建筑结构计算方法的进展

本文综述了近10年来国内高层建筑结构计算方法的进展,其中包括:框架、框架—剪力墙和剪力墙结构的计算;简体及复杂体系结构的计算;结构的动力特性和直接动力分析;高层建筑结构分析的一些专门问题等。     

超高层建筑束筒结构受确定性动力作用的半解析分析

将超高层建筑束筒结构与其基础等效连续化为一个支撑在半无限大弹性地基上具有三维连续分布刚度和质量特性的加劲薄壁筒组合体,并以此模型,对其在多维简谐动力作用下的稳态反应进行了半解析分析,并计算出了共振响应,那就是当激励荷载的频率与结构系统的自振频率很接近时,结构的动力响应会出现非常大的突变。计算结果表明:模型的简化是合理的、可行的,从而为超高层建筑束筒结构的整体动力分析提供了一种可行的方法,并给出了几点对此类结构的抗震设计有指导意义的结论。     

考虑剪切变形的薄壁杆件分析

本文应用势能原理,讨论薄壁杆件的剪力滞后现象。导出以截面横向位移和节点纵向位移为未知量的有限元法的基本方程。算例表明,本方法计算量少,精度高,特别适用于分析高层建筑和桥梁结构。     

地震激励邻接高层建筑的随机最优控制

采用控制设备联接相邻的高层建筑以降低其地震响应是一个切实有效的方法。基于随机动态规划原理与随机平均法,提出耦合相邻高层建筑的随机最优控制方法。先建立任意层数并在任意层高处控制联接的耦合结构的缩聚模型,再运用随机平均法导出关于模态能量的oIt随机微分方程,应用随机动态规划原理建立动态规划方程,由此可确定最优控制律。将结构的响应控制化为模态能量控制,缩减控制系统的维数。用高斯随机过程模拟地震激励,可计及其功率谱特性。数值结果表明该耦合结构随机最优控制方法的有效性。     

基于风振性能的高层建筑抗风设计优化

提出了一个基于风振性能的结构优化设计方法来解决高层建筑在各种风灾条件下的风致性能设计问题。借签抗震性能设计方法,划分了高层建筑的三水准抗风设防标准。各水准下的风灾烈度及其概率要素可以通过对气象部门的极端风速记录开展统计极值分析来进行。基于高层建筑风致动力响应的频域内风振模态分析,给出了各种风致加速度指标的实用表达式。通过数学建模对风致性能的结构优化设计问题作出了精确描述,用结构构件尺寸等设计变量显式的表达出各种风振性能设计指标。发展了基于优化准则法的数值算法来求解高层建筑在多种风致性能设计约束条件下的结构最优设计。最后,通过一个40层住宅楼的工程实例验证了文中提出的多级抗风性能自动化结构设计方法的有效性和实用性。     

Tall Buildings with Dynamic Facade Under Winds

Burgeoning growth of tall buildings in urban areas around the world is placing new demands on their performance under winds. This involves selection of the building form that minimizes wind loads and structural topologies that efficiently transfer loads. Current practice is to search for optimal shapes, but this limits buildings with static or fixed form. Aerodynamic shape tailoring that consists of modifying the external form of the building has shown great promise in reducing wind loads and associated structural motions as reflected in the design of Taipei 101 and Burj Khalifa. In these buildings, corner modifications of the cross-section and tapering along the height are introduced. An appealing alternative is to design a building that can adapt its form to the changing complex wind environment in urban areas with clusters of tall buildings, i.e., by implementing a dynamic facade. To leap beyond the static shape optimization, autonomous dynamic morphing of the building shape is advanced in this study, which is implemented through a cyber–physical system that fuses together sensing, computing, actuating, and engineering informatics. This approach will permit a building to intelligently morph its profile to minimize the source of dynamic wind load excitation, and holds the promise of revolutionizing tall buildings from conventional static to dynamic facades by taking advantage of the burgeoning advances in computational design.     

中美高层钢筋混凝土框架-核心筒结构抗震设计对比

为综合对比中美抗震设计规范体系的总体效果,根据美国太平洋地震工程研究中心(PEER)给出的典型高层钢筋混凝土框架-核心筒结构案例的设计结果,采用中国规范对其进行了对比设计研究,详细分析了按照中、美规范设计得到的结构构件尺寸、动力特性、设计地震作用和材料用量。并建立了中美两个结构的弹塑性有限元模型,初步研究了二者的抗震性能。通过研究发现,中美抗震设计方法存在较大差异。该研究中,在相同地震危险性情况下,我国规范反应谱的设计地震作用较大,并且我国规范对结构层间位移角的限制比较严格,二者使得按照中国规范设计的结构其设计地震作用以及材料用量均显著高于美方设计结果。但中美设计方案在不同强度地震作用下的抗震性能基本相当。该文对比结果可供我国高层建筑抗震设计研究参考。