大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)分析及等效靜力風(fēng)荷載研究.pdf

1、大跨屋蓋結(jié)構(gòu)體型各異，且具有質(zhì)量輕、柔度大、阻尼小、振型密集等一系列特點(diǎn)，其風(fēng)荷載分布、風(fēng)振響應(yīng)分析及等效靜力風(fēng)荷載的計(jì)算都具有特殊性。本文通過隨機(jī)振動(dòng)理論分析、風(fēng)洞動(dòng)態(tài)測壓試驗(yàn)和工程案例計(jì)算，給出了大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，提出了大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載計(jì)算的SCQC法和CLRC法，并進(jìn)行了多目標(biāo)等效靜力風(fēng)荷載的研究。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　 1.大跨屋蓋結(jié)構(gòu)及其抗風(fēng)分析方法回顧:對大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況

2、進(jìn)行了總結(jié)，并對歷年來大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)毀事件進(jìn)行了回顧。在對大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的表面風(fēng)荷載、風(fēng)振響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)和比較的基礎(chǔ)上，指出了各種方法優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件。針對目前大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究存在的不足和需要改進(jìn)之處，引申出本文需要進(jìn)行的研究工作。
　　 2.大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)洞動(dòng)態(tài)測壓試驗(yàn):以一大跨屋蓋結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測壓風(fēng)洞試驗(yàn)為例，介紹了風(fēng)洞動(dòng)態(tài)測壓試驗(yàn)的基本原理和數(shù)據(jù)處理方法。對模型制作、測點(diǎn)布置、系統(tǒng)要求、試驗(yàn)安排以

3、及風(fēng)洞測壓數(shù)據(jù)到實(shí)際結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的換算等一系列過程進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹和分析。另一方面，由于頻域分析需要將時(shí)程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為功率譜的形式，文中給出了結(jié)構(gòu)模態(tài)力譜的計(jì)算公式。
　　 3.大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)類型劃分:考慮到大跨屋蓋結(jié)構(gòu)自身特性的差異、不同屋蓋對風(fēng)的敏感程度的差異、以及各種風(fēng)振分析和等效靜力風(fēng)荷載計(jì)算方法的適用性，對大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)類型進(jìn)行了系統(tǒng)的劃分。提出了保障率的概念，并根據(jù)大跨屋蓋結(jié)構(gòu)平均響應(yīng)、脈動(dòng)風(fēng)背景響應(yīng)和脈動(dòng)風(fēng)共振響

4、應(yīng)所占的比重，將大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)類型劃分為四類。進(jìn)一步給出各分類的劃分標(biāo)準(zhǔn)，指出每種類型適用的抗風(fēng)分析方法，選擇與之對應(yīng)的抗風(fēng)分析方法，可以同時(shí)兼顧效率和精度。
　　 4.大跨屋蓋結(jié)構(gòu)考慮模態(tài)耦合效應(yīng)的共振SCQC法:針對目前大跨屋蓋結(jié)構(gòu)考慮共振響應(yīng)模態(tài)耦合效應(yīng)計(jì)算方法的現(xiàn)狀，本文提出一種簡化的風(fēng)振計(jì)算方法，稱為簡化CQC法（簡稱:SCQC法）。SCQC法考慮了各共振模態(tài)的耦合效應(yīng)，具有較高的計(jì)算精度。本文推導(dǎo)了模態(tài)頻響傳遞函數(shù)

5、和模態(tài)力譜實(shí)部乘積和虛部乘積對響應(yīng)方差貢獻(xiàn)的計(jì)算公式，該公式不需要進(jìn)行傳統(tǒng)CQC法復(fù)雜的積分過程，進(jìn)行簡單的求和運(yùn)算就能得到模態(tài)耦合項(xiàng)對響應(yīng)方差的貢獻(xiàn)，極大提高了計(jì)算效率，推導(dǎo)公式過程中所作的簡化對于大跨屋蓋結(jié)構(gòu)也是合理的。
　　 5.大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載CLRC法:本文通過對動(dòng)力方程的變換，得到廣義恢復(fù)力向量，將其當(dāng)作新的輸入荷載，可將動(dòng)力方程變?yōu)閿M靜力方程，進(jìn)而可采用本文提出的一致LRC法（簡稱:CLRC法）

6、進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載的求解。CLRC法可以與任何風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算方法相適應(yīng)，關(guān)鍵是獲得廣義恢復(fù)力協(xié)方差矩陣。當(dāng)采用時(shí)域法時(shí)，得到結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可直接計(jì)算位移響應(yīng)的協(xié)方差矩陣，進(jìn)而得到廣義恢復(fù)力的協(xié)方差矩陣;當(dāng)采用頻域法時(shí)，廣義恢復(fù)力的協(xié)方差矩陣可以根據(jù)模態(tài)響應(yīng)協(xié)方差矩陣計(jì)算得到。特別對于需要同時(shí)考慮背景分量和共振分量的結(jié)構(gòu)，CLRC法中的三分量方法，考慮了模態(tài)耦合效應(yīng)，其計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)精度較高，與CQC方法誤差非常小;同時(shí)，

7、通過廣義恢復(fù)力協(xié)方差矩陣的分別求解，在計(jì)算效率上遠(yuǎn)高于CQC方法。
　　 6.大跨屋蓋結(jié)構(gòu)多目標(biāo)等效靜力風(fēng)荷載方法:由于大跨屋蓋多振型參與結(jié)構(gòu)風(fēng)振，結(jié)構(gòu)響應(yīng)往往不能同時(shí)到達(dá)極值。在單目標(biāo)等效靜力風(fēng)荷載的作用下，僅僅等效目標(biāo)的靜力響應(yīng)與動(dòng)力響應(yīng)極值相等，其他目標(biāo)響應(yīng)與實(shí)際動(dòng)力響應(yīng)極值常常相差較大。在分析以往多目標(biāo)等效靜風(fēng)荷載研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新的多目標(biāo)等效靜力風(fēng)荷載計(jì)算方法。該方法選擇廣義恢復(fù)力的本征模態(tài)作為構(gòu)造多目標(biāo)等效靜