田登科 孫涵 劉梓鵬

(1 深圳深港科技創(chuàng)新合作區(qū)發(fā)展有限公司；2 中建八局第一建設(shè)有限公司）

隨著城市化進(jìn)程的加速和建筑高度的增加，超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的數(shù)量不斷增加。室外鋼樓梯作為鋼結(jié)構(gòu)建筑的重要組成部分，因其良好的可塑性、抗腐蝕性、施工便捷性和美觀性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑物的外立面和防火通道等方面。然而，荷載作用下的室外鋼樓梯易受風(fēng)荷載和行人荷載等因素的影響，可能出現(xiàn)震動(dòng)，從而影響建筑物的安全性和穩(wěn)定性。

在國(guó)內(nèi)外，已經(jīng)有一些研究致力于探究室外鋼樓梯的震動(dòng)特性和控制方法。其中，震動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)是評(píng)估室外鋼樓梯安全性和穩(wěn)定性的重要手段之一，可以實(shí)時(shí)獲取樓梯的振動(dòng)數(shù)據(jù)，并提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。另外，針對(duì)荷載作用下的室外鋼樓梯的震動(dòng)控制問題，也涌現(xiàn)出了一些研究成果，例如采用阻尼器和隔震器等控制方法來降低樓梯的振動(dòng)幅值。

然而，目前關(guān)于荷載作用下室外鋼樓梯震動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制方面的研究還相對(duì)較少，尤其是針對(duì)復(fù)雜多變的外部環(huán)境因素和不確定性的影響下的室外鋼樓梯震動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制關(guān)鍵技術(shù)仍需要進(jìn)一步研究。因此，本文旨在研究荷載作用下室外鋼樓梯震動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制的關(guān)鍵技術(shù)，探究可行的監(jiān)測(cè)方案和控制方法，為提高室外鋼樓梯的安全性和穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)。

1 室外鋼樓梯結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

1.1 室外鋼樓梯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

室外鋼樓梯作為一種常見的結(jié)構(gòu)形式，在超高層建筑中廣泛應(yīng)用。與室內(nèi)鋼樓梯相比，室外鋼樓梯要具有較高的抗風(fēng)能力和承載能力，不易進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。室外鋼樓梯的主要結(jié)構(gòu)部件包括樓梯踏板、樓梯扶手、樓梯框架等。

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

在進(jìn)行室外鋼樓梯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)樓梯框架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理的分析和選擇。常見的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括材料類型、截面形狀、截面尺寸、梁柱比、樓梯踏板尺寸等。

材料類型的選擇通常基于結(jié)構(gòu)的承載能力和使用環(huán)境。一般來說，室外鋼樓梯的主要材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼，其強(qiáng)度和韌性較高，適用于承受較大荷載和氣候環(huán)境變化較大的場(chǎng)合。

截面形狀和尺寸的選擇對(duì)于樓梯框架的承載能力和穩(wěn)定性也具有重要影響。常見的截面形狀包括矩形截面、圓形截面、H 型截面等。在選擇截面形狀和尺寸時(shí)，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的承載能力、剛度要求、制造和安裝方便程度等因素進(jìn)行綜合考慮。

1.3 動(dòng)力特性分析

室外鋼樓梯在荷載作用下會(huì)出現(xiàn)不同的振動(dòng)特性，這對(duì)于室外鋼樓梯的安全性和使用壽命具有重要的影響。因此，需要對(duì)室外鋼樓梯的動(dòng)力特性進(jìn)行分析和研究。

在動(dòng)力特性分析中，需要考慮室外鋼樓梯的自然頻率、阻尼比等參數(shù)。通過模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可以得到室外鋼樓梯在不同荷載作用下的振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅值。此外，還需要分析樓梯的位移、加速度等參數(shù)，以評(píng)估其對(duì)使用者的影響和安全性。

2 荷載特性分析

2.1 荷載類型與特點(diǎn)

室外鋼樓梯在使用過程中，會(huì)受到多種類型的荷載作用，例如自重荷載、風(fēng)荷載、人員荷載等。不同類型的荷載具有不同的特點(diǎn)，對(duì)樓梯的振動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的影響。

自重荷載是指樓梯自身的重量所產(chǎn)生的荷載，其大小與樓梯的結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)。自重荷載一般對(duì)樓梯的振動(dòng)影響較小，但在大型室外鋼樓梯中，其作用仍需考慮。

風(fēng)荷載是指風(fēng)力對(duì)樓梯所產(chǎn)生的壓力和力矩所引起的荷載，其大小與樓梯的高度、形狀和風(fēng)速有關(guān)。風(fēng)荷載對(duì)樓梯的振動(dòng)影響較大，特別是在高風(fēng)速、大型樓梯或暴風(fēng)雨等惡劣天氣條件下，風(fēng)荷載會(huì)對(duì)樓梯產(chǎn)生顯著的振動(dòng)。

人員荷載是指人員在樓梯上行走所產(chǎn)生的荷載，其大小與人員的數(shù)量、體重和行走方式有關(guān)。人員荷載對(duì)樓梯的振動(dòng)影響較小，但在高峰期或活動(dòng)場(chǎng)所等情況下，其作用需考慮。

2.2 荷載作用下室外鋼樓梯振動(dòng)特性

荷載作用下，室外鋼樓梯會(huì)產(chǎn)生不同振動(dòng)特性。為了分析樓梯在不同荷載作用下的振動(dòng)特性，本文采用了有限元分析方法對(duì)樓梯結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬和分析。模擬結(jié)果表明，不同類型荷載作用下，樓梯的振動(dòng)模式和振動(dòng)頻率都不同。自重荷載作用下，樓梯振動(dòng)主要集中在低頻段，振幅較??；風(fēng)荷載作用下，樓梯振動(dòng)主要集中在高頻段，振幅較大；人員荷載作用下，樓梯振動(dòng)頻率較高，但振幅較小。

在不同荷載作用下，樓梯的振動(dòng)特性對(duì)其結(jié)構(gòu)安全性和使用壽命產(chǎn)生不同影響。針對(duì)不同荷載作用下的振動(dòng)特性，需要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行控制和調(diào)整，保證樓梯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和使用安全。因此，針對(duì)不同類型荷載的特點(diǎn)和作用機(jī)理，設(shè)計(jì)合適的控制方案是非常重要的。

在風(fēng)荷載作用下，樓梯的振動(dòng)特性對(duì)于樓梯結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和穩(wěn)定性有著重要的影響。為了降低樓梯的振動(dòng)幅值，提高其穩(wěn)定性和安全性，需要采取相應(yīng)的控制措施。常見的控制方法包括被動(dòng)控制和主動(dòng)控制兩種。

被動(dòng)控制是指通過增加阻尼器等被動(dòng)元件，來降低樓梯的振動(dòng)幅值。該方法具有簡(jiǎn)單可靠、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但其控制效果受到環(huán)境和荷載等因素的影響較大，不能實(shí)現(xiàn)針對(duì)性控制。

主動(dòng)控制是指通過控制系統(tǒng)對(duì)樓梯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，從而調(diào)整樓梯的振動(dòng)狀態(tài)和幅值。該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樓梯振動(dòng)的實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)，具有較好的針對(duì)性和適應(yīng)性。其中，基于反饋控制算法的主動(dòng)控制方法具有較好的控制效果和實(shí)用性，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

3 室外鋼樓梯震動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)室外鋼樓梯的震動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制，本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理和分析軟件以及控制裝置等組成。其中，加速度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樓梯的振動(dòng)響應(yīng)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備將加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理和分析軟件中，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，確定樓梯的振動(dòng)特性，以及判斷樓梯是否存在安全隱患。同時(shí)，控制裝置可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整樓梯結(jié)構(gòu)的參數(shù)，以達(dá)到控制樓梯振動(dòng)的目的。

3.2 控制策略研究

在本文中，我們研究了多種控制策略，以實(shí)現(xiàn)對(duì)室外鋼樓梯的振動(dòng)控制。其中，包括經(jīng)典控制、自適應(yīng)控制和智能控制等多種控制方法。我們采用Matlab/Simulink 對(duì)不同控制策略進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)控制效果進(jìn)行了評(píng)估。

經(jīng)典控制方法中，我們采用比例-積分-微分（PID）控制器進(jìn)行了模擬分析。通過調(diào)整PID參數(shù)，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)樓梯振動(dòng)的控制，達(dá)到了一定的效果。然而，經(jīng)典控制方法存在精度較低、調(diào)試難度大等缺點(diǎn)，不能滿足實(shí)時(shí)控制的要求。

自適應(yīng)控制方法中，我們采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制（ANFIS）進(jìn)行了模擬分析。通過對(duì)樓梯振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和分析，我們構(gòu)建了ANFIS 控制器，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)樓梯振動(dòng)的控制。該方法可以有效地適應(yīng)不同荷載條件下樓梯的振動(dòng)響應(yīng)，提高了控制效果。

智能控制方法中，我們采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）進(jìn)行了模擬分析。通過對(duì)樓梯振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和分析，我們構(gòu)建了ANN 控制器，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)樓梯振動(dòng)的控制。該方法可以更好地適應(yīng)不同荷載條件下樓梯的振動(dòng)響應(yīng)，同時(shí)，由于ANN 具有良好的非線性逼近能力和自適應(yīng)性，因此該方法能夠更加精確地控制樓梯的振動(dòng)，且對(duì)控制參數(shù)的選擇更加靈活。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文對(duì)不同控制策略進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)控制效果進(jìn)行了評(píng)估。經(jīng)過對(duì)比分析，我們發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)控制和智能控制方法相比經(jīng)典控制方法，可以更好地適應(yīng)不同荷載條件下樓梯的振動(dòng)響應(yīng)，且對(duì)控制參數(shù)的選擇更加靈活。其中，智能控制方法的控制效果更好，具有更高的控制精度。

4 基于反饋控制算法的室外鋼樓梯震動(dòng)控制

4.1 反饋控制算法原理

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)室外鋼樓梯的震動(dòng)控制，本文采用了基于反饋控制算法的控制方法。反饋控制是指利用系統(tǒng)輸出信息對(duì)系統(tǒng)輸入進(jìn)行調(diào)整的一種控制方法。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樓梯的振動(dòng)，并將振動(dòng)信號(hào)反饋給控制器，控制器通過調(diào)整執(zhí)行器對(duì)樓梯進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樓梯振動(dòng)的控制和減弱。

本文采用了PID 控制算法作為反饋控制的基本原理。PID控制是一種常用的控制算法，其核心思想是通過比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。其中，比例參數(shù)Kp 可以用于調(diào)整系統(tǒng)的響應(yīng)速度，積分參數(shù)Ki 可以用于消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，微分參數(shù)Kd 可以用于抑制系統(tǒng)振蕩。通過對(duì)PID參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精確控制和穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 震動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)基于反饋控制算法的室外鋼樓梯震動(dòng)控制，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括傳感器、控制器和執(zhí)行器三個(gè)部分。傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樓梯的振動(dòng)，將振動(dòng)信號(hào)反饋給控制器；控制器根據(jù)反饋信號(hào)和預(yù)設(shè)的控制策略，產(chǎn)生控制信號(hào)，通過執(zhí)行器對(duì)樓梯進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和控制。

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)圖

在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要考慮到樓梯的振動(dòng)特性和控制需求，合理選擇傳感器和執(zhí)行器，并針對(duì)PID控制算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和調(diào)整。在實(shí)際控制中，可以通過模擬和仿真等方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證，確?？刂葡到y(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

控制系統(tǒng)的控制策略主要包括PID控制、滑模控制等多種方法。本文采用了PID控制方法，其基本原理是通過調(diào)整比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)來控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。在實(shí)際控制中，需要根據(jù)樓梯的振動(dòng)特性和控制需求，對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)的控制效果。

為了驗(yàn)證基于反饋控制算法的控制效果，本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用了多個(gè)工況下的荷載作用，并通過閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)樓梯振動(dòng)進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用PID控制算法的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以有效地控制室外鋼樓梯的振動(dòng)，達(dá)到減震效果顯著的目的。同時(shí)，通過對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，可以進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

在實(shí)際工程中，基于反饋控制算法的控制方法可以有效地應(yīng)用于室外鋼樓梯的設(shè)計(jì)和施工中，提高樓梯的安全性和使用壽命。但是，需要注意的是，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試需要考慮到樓梯的實(shí)際使用環(huán)境和荷載特性，以保證控制效果的穩(wěn)定和可靠。

5 結(jié)論

本文對(duì)室外鋼樓梯的震動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。通過對(duì)室外鋼樓梯結(jié)構(gòu)參數(shù)和荷載特性的分析，可以得到室外鋼樓梯的動(dòng)力特性，從而為后續(xù)的震動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制提供了理論基礎(chǔ)。

基于振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本文實(shí)現(xiàn)了對(duì)室外鋼樓梯的實(shí)時(shí)震動(dòng)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理。通過分析不同荷載作用下的振動(dòng)特性，可以得到室外鋼樓梯的自然頻率和阻尼比等參數(shù)，為后續(xù)的震動(dòng)控制提供了重要的依據(jù)。

針對(duì)室外鋼樓梯的震動(dòng)控制問題，本文提出了基于反饋控制算法的控制方案，并設(shè)計(jì)了震動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制方案能夠有效地降低室外鋼樓梯的振動(dòng)幅值，提高其使用安全性。未來，可以進(jìn)一步探索鋼樓梯的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制算法的改進(jìn)，為室外鋼樓梯的安全運(yùn)行提供更好的保障。