摘要：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。

摘要：现行规范采用静力设计的方法可能对高层隔震结构的风致效应考虑不足,为此深入研究了高层隔震结构抗风设计与风致效应,结合现行规范提出高层隔震结构风致效应分析框架,并针对中国某百米级实际工程隔震结构展开风致效应的分析与评估。结果表明:现行规范采用等效静力的计算方式低估了高层隔震结构实际所受的脉动风作用,通过风荷载时程分析发现,隔震层X、Y向的水平剪力相比风荷载标准值作用分别增加了23.8%和27.7%,但从设计的角度出发,现行规范取1.4的分项系数能满足隔震层抗风稳定性的要求;在10年一遇风荷载作用下,高层隔震结构顶部存在舒适度的问题,最大风振加速度达到16.2 cm·m^(-2),超出规范限值8%;在1年一遇风荷载作用下,高层隔震结构顶部的最大风振加速度达到7.6 cm·m^(-2),其居住舒适性更难以满足,高层隔震结构的舒适度问题在今后的抗风设计中应予以重视;提出的分析框架能较系统和全面地反映高层隔震结构风致效应,可为现行规范提供理论参考依据。

摘要：对利通广场实施了在台风"韦森特"影响下的楼顶风速、风向和风致加速度响应的实时同步测试。获取了本次台风影响时此超高层建筑顶部的湍流强度、阵风因子及脉动风速功率谱密度等风场特性。通过对风致加速度的分析,研究了风致加速度的频谱特征、结构自振频率及其振型等相关动力特征,采用随机减量法求得结构第一振型阻尼比与振幅的非线性关系。另一方面,通过对此超高层建筑在无风荷载的环境激励条件下GPS楼顶位移的测试和分析,探讨了GPS多路径效应的形成机制及消除方法。并将GPS位移以及风致加速度获得的结构自振频率,与有限元分析结果进行对比分析,验证了两种测试方法均能有效识别实际结构的自振频率等动力特征。上述实测分析结果可为超高层建筑抗风设计提供参考。

摘要：《建筑隔震设计标准》(后简称《隔标》)是我国第一部专门指导隔震设计的国家级标准。由于目前基于新规范完成隔震设计的实际工程较少,尤其是百米级高层隔震结构在我国还尚属少见,为此针对某百米级住宅公寓楼实际工程展开研究,根据《隔标》完成隔震设计,并从经济性的角度出发,对比了一体化直接设计法与传统分部隔震设计法的配筋结果;最后结合现行规范对高层隔震结构的风振舒适度进行了评估。研究结果表明:一体化直接设计方法在显著提升隔震结构安全的同时还具有较好的经济性,即使隔震结构设防目标由小震提升至中震,即地震作用提升约3倍的前提下,该高层隔震结构总用钢量的增加仍控制在15%以内;百米级高层隔震结构在1年、10年风荷载作用下均出现了舒适度问题,最大风振加速度响应分别达到了10.3 gal和18.0 gal,超出规范限值71.7%和20%,在未来的隔震结构抗风设计中,高层隔震结构的风振舒适度问题应引起足够重视。

摘要：将摩擦摆FPS和调谐质量阻尼器TMD系统相结合,建立和推导了顶部带FPS-TMD系统的高耸结构在风荷载作用下的风振控制非线性动力方程,讨论了利用Newmark-β法和迭代法结合求解上述非线性动力方程的解法。以广州新电视塔为例,通过选用影响其风振控制效果的不同参数(主体结构阻尼比,主次系统质量比,滑道不同摩擦因数以及滑道半径等)作用下的主体结构风致位移和加速度对比,对顶部带FPS-TMD系统的高耸结构风振控制效益进行综合分析。分析结果表明,相比无控结构而言,在不同控制参数情况下FPS-TMD系统具有不同的减振效果,通过合理选择FPSTMD系统的控制设计参数,可使得主体结构能够达到最佳减振效率。

摘要：基于最优准则法提出了一种在优化迭代过程中设计变量越界的松弛处理方法,即允许在部分迭代步中设计变量大于上限值或小于下限值,只有当设计变量在连续多个迭代步中越界时才令其等于边界值,算例验证结果表明,在部分工况下,改进后的最优准则法能够获得更佳的优化计算结果。另一方面,推导了约束条件显式表达的简化算式,以简单的代数算式代替了传统算法中复杂耗时的符号积分运算,使得结构优化设计程序简单而高效。最后,通过一框架结构的优化设计算例验证了本文方法的有效性。

摘要：在运用考虑背景响应的LRC方法计算等效静力风荷载施加在变截面大跨门式刚架的基础上,通过SAP2000API函数用MATLAB调用有限元分析结果,采用虚功原理构造其位移约束条件,运用拉格朗日乘子法建立优化问题的数学模型。运用最优准则法(OC),探讨了大跨度变截面门式刚架抗风优化设计的相关方法。通过对构造的函数进行迭代求解得出其优化的最小截面,并与峰值因子法求静力风荷载的优化结果进行对比。对比的结果表明:运用OC优化算法收敛的迭代次数较少,且利用LRC方法建立的等效静力风荷载条件下的优化结果更加经济,也更符合风荷载的实际特性。

摘要：结构优化设计中的灵敏度分析是指约束函数对优化设计变量的导数,它是最优准则法等许多结构优化算法能够高效迭代收敛计算的基础。本文首先阐述了有限差分法及基于虚功原理的简化法在约束函数灵敏度分析上的不足,然后从有限单元法求解的逆过程出发,根据线弹性分析中的空间梁单元刚度矩阵元素的组成特点,提出了基于通用有限元软件计算结果的空间梁单元杆端结点内力、结点位移及杆端应力等灵敏度分析的解析表达式,最后通过两个算例对本文提出的算法进行了验证。结果表明:利用本文所提出的相关灵敏度计算的解析表达,只需进行一次线弹性结构分析,并将有限元分析结果当作已知量,即可方便且准确地得到线性结构系统的位移及应力灵敏度。另外,本文利用大型通用有限元软件SAP2000基于MATLAB系统的应用程序接口(API)开发环境,实现了两款软件的数据交互及无缝链接进行灵敏度分析的高效平台,本文提出的方法适用于大型复杂结构的灵敏度分析并可为其他工程结构优化提供参考。

摘要：目前复杂结构的抗风优化研究大多集中于高层建筑,很少针对风敏感的大跨屋盖结构.考虑强度、刚度和几何尺寸等多重约束,基于虚功原理和Lagrange乘子将抗风优化转化为无约束问题,编制数值程序整合有限元计算和优化分析两部分,然后对杆件数为10 080的实际双层柱面网壳进行优化设计,讨论了设计变量可行域、初始值和调整步选择等对优化结果的影响.研究表明,采用本文方法可实现对空间桁架结构进行多重约束下的高效抗风优化设计,网壳总重降低约37%,风致响应分布不均使得有必要设定可行域下限,而设计变量初值和调整步选择不影响最后的优化结果.

摘要：轻钢门式刚架结构是单层工业厂房中一种常见的结构形式,风荷载是其结构设计的重要荷载之一.已有抗风优化研究中一般仅考虑单目标的等效静力风荷载,在多个约束条件时不能保证优化结果的准确性.笔者基于风洞试验数据库构造多目标等效静力风荷载,基于最优准则法对单榀变截面门式刚架进行抗风优化设计.分别以工字钢的腹板高度和材料总重为设计变量和优化目标,以柱顶水平位移和跨中挠度为约束条件,基于MATLAB数值平台,编制了抗风优化计算程序.研究表明,多目标等效静力风荷载能够保证约束位移的数值与随机峰值基本一致,在满足约束条件的前提下,优化设计使结构总重降低了23.2%,经济效益明显,且优化后的截面尺寸符合变截面门式刚架的力学特点.