大跨屋蓋結構風振響應和等效靜力風荷載關鍵性問題研究.pdf

1、大跨屋蓋結構跨度大、自重輕、自振頻率低、模態(tài)分布密集,結構風振響應計算具有多模態(tài)參與的特點,甚至存在部分對結構響應貢獻較大的高階模態(tài);不同模態(tài)間的耦合效應非常顯著,結構響應計算還必須計及模態(tài)間耦合效應的貢獻。另外,由于大跨屋蓋結構形式復雜,多模態(tài)參與結構振動,振動過程中不同位置的不同節(jié)點響應不能完全保持同步,使得響應控制點不明確,因此,基于結構響應的等效靜力風荷載計算需要兼顧多個響應控制目標。目前,國內外對于大跨屋蓋結構風振響應和等效靜

2、力風荷載計算提出了多種分析方法,每種方法都有其自身計算特點和適用條件。本文以國家體育場封閉屋蓋和2008奧運網球中心懸挑屋蓋為工程背景,考慮目前研究現狀,結合大跨屋蓋結構抗風研究特點,通過計算分析和理論推導,對大跨屋蓋結構抗風設計中的關鍵性問題進行了研究,主要完成以下幾個方面的工作:
　　 1.對目前結構風工程領域熱點研究的大跨屋蓋結構風振響應分析和等效靜力風荷載計算的各種方法進行了系統(tǒng)的總結和比較,指出了各種方法存在的問題、優(yōu)

3、缺點和適用條件,揭示大跨屋蓋結構的風振響應和等效靜力風荷載的物理意義和本質特征,找出了制約大跨屋蓋抗風設計的關鍵性問題。以國家體育場封閉屋蓋結構和2008年北京奧運網球中心懸挑屋蓋結構的抗風設計為工程背景,采用上述各種方法計算其風致動力響應和等效靜力風荷載,并對計算結果進行分析比較,對這些方法的優(yōu)缺點和適用條件進行了驗證。針對這兩類典型大跨屋蓋結構,為工程設計人員合理選取相應的風致動力響應分析方法和等效靜力風荷載計算方法提供了有價值的參

4、考意見。
　　 2.通過分析,指出影響不同模態(tài)對大跨屋蓋結構風振響應貢獻程度的兩個主要因素:(1)模態(tài)空間分布和結構表面風荷載空間分布的相關性;(2)模態(tài)自振頻率和風荷載主頻率的接近程度;為選取結構風振響應主要參振模態(tài)確立了思路。考慮到大跨屋蓋結構風荷載空間分布的不確定性,提出通過低價主要貢獻模態(tài)空間分布尋找風荷載強相關高階模態(tài)的思想;在此基礎上,結合低階模態(tài),綜合考慮結構自振頻率的影響,通過對模態(tài)響應方差矩陣的簡化處理,構造了

5、模態(tài)參與系數,依據該系數實現了對主要參振模態(tài)的精確選取,有效地解決了大跨屋蓋結構風振響應分析中主要參振模態(tài)的合理選取這一關鍵性問題。
　　 3.通過分析CQC組合和SRSS組合的相互關系,從而將模態(tài)耦合項分離出來;通過對背景響應耦合項和共振響應耦合項的簡化分析,推導了其簡化表達式;引入模態(tài)應變能的概念,定義了背景響應和共振響應模態(tài)耦合系數,通過該系數實現了背景響應模態(tài)間耦合效應強弱和共振響應模態(tài)間耦合效應強弱的判斷;在此基礎上提

6、出結構總的背景響應和總共振響應可以分別采用各自主要參振模態(tài)的SRSS組合結果再疊加強模態(tài)耦合項的貢獻得到。算例分析結果表明,該方法簡單實用,既避免了復雜的CQC組合計算又計及了模態(tài)間耦合效應,具有較高的計算效率,能夠滿足大跨屋蓋結構工程抗風設計的要求。
　　 4.針對大跨屋蓋結構等效靜力風荷載計算中需要兼顧多個響應控制目標的特點,提出了由靜力風荷載下結構的應變能與脈動風荷載下結構的應變能極值相等來確定等效靜力風荷載分布的思想,其