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原文传递大跨钢结构振动敏感性分析与减振优化设计

论文题名：	大跨钢结构振动敏感性分析与减振优化设计
关键词：	大跨钢构天桥;振动敏感性;调谐质量阻尼器;减振效率
摘要：	由于较小的结构质量和较低的固有阻尼，大跨钢构天桥在人行激励下往往难以满足振动舒适度性能的要求。大跨钢构天桥的振动响应与输入人行激励和结构动力特性密切相关，工程实践中往往通过加大构件尺寸的方式提高结构自振频率，但加大构件尺寸同时会增加结构刚度和质量，且对结构自振频率的改变并不明显，同时也会引起结构竖向挠度的增大以及钢材用量的显著增加。对于大跨度结构低频振动问题常用调谐质量阻尼系统（TMD）实现结构减振，但其布设位置常由设计人员通过经验判断，并不能在阻尼器参数一定的前提下，最大限度发挥TMD系统的减振效率，导致减振装置消能减振效率较为低下。因此，研究主要围绕以下几部分内容进行。　　首先,为研究改变结构动力特性的减振方法，引入了虚功敏感性分析方法。利用虚功原理推导了大跨度结构结构构件体积/成本与结构自振频率的显式关系，并提出多级分解双驱动渐近优化设计方法。根据不同部位结构构件对自振频率的敏感性系数改变结构构件尺寸，实现了以自振频率最大化为目标的结构刚度和质量的最优分布，在提高结构自振频率的同时降低了结构材料用量的增加甚至不增加结构材料用量。　　其次，研究TMD减振装置布设最佳位置的优化策略，引入了增量敏感性分析方法。利用增量敏感性系数并提出适用于两个及以上优化目标的组合排序法，运用有限元通用结构分析软件以弹簧、阻尼原件及质量块的方式对TMD系统进行数字建模，参数设计采用Den Hartog建立的TMD最优参数计算公式，对TMD装置布设点位进行区域划分，计算TMD减振装置对结构竖向自振加速度的敏感性系数，得到敏感性相对值排序以指导TMD减振装置最佳布设位置。　　最后，以一90m跨度人行天桥工程作为案例进行分析验证，以虚功敏感性系数为指导的多级分解双驱动渐近优化设计结果表明在基本保证结构材料用量不变的前提下，仅对构件材料进行重分配，结构自振频率有了较为显著的提升,从而减小了结构振动响应。提高结构竖向频率，即需要显著提高竖向刚度，然而提高结构刚度的同时，结构竖向挠度会随着自重的增加而变大，因此决定对结构加设TMD减振装置。计算TMD减振装置对结构竖向自振加速度的敏感性系数，依据增量敏感性分析结果给出的优先级布设位置对结构布设9个TMD装置，结果显示虽然结构自重增加近3%，但竖向振动1s均方根加速度减小了509.3%，，在成本小幅度增加的前提下使得结构满足规范要求，可以说明该优化方法的可行性、合理性及高效性。　　论文以改变结构动力特性的减振方法进行理论及实证研究，结论表明可通过设计变量对约束条件的敏感性相对值排序对材料进行重分配以提高结构自振频率，从而达到结构舒适度要求，或可通过位置敏感性排序选取减振装置布设位置，更高效地降低结构竖向振动加速度，这对大跨结构优化策略制定有重要的参考价值。
作者：	张辰韵
专业：	建筑与土木工程
导师：	黄勇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	贵州大学
学位年度：	2022