大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性及風(fēng)致響應(yīng)研究.pdf

1、在風(fēng)荷載作用下，建筑物附屬結(jié)構(gòu)往往先于主體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，尤其是對于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)。附屬結(jié)構(gòu)如幕墻、門窗、屋蓋等破壞后往往引起結(jié)構(gòu)內(nèi)壓發(fā)生變化，使得結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性相對于封閉狀態(tài)發(fā)生明顯變化，故有必要對開孔（開洞）工況下建筑物的風(fēng)致內(nèi)壓與風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行分析。而在實(shí)際的工程應(yīng)用（尤其是復(fù)雜外形的大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)）以及實(shí)測研究中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往不能夠提供足夠的同步測壓傳感器以滿足結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分析的需要，需要采用必要的插值手段對已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)崪y數(shù)據(jù)

2、擴(kuò)展到未知數(shù)據(jù)點(diǎn)上。
　　基于風(fēng)洞試驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，本文對大跨度屋蓋在開孔（開洞）狀態(tài)下風(fēng)致內(nèi)壓特性、風(fēng)壓分布以及內(nèi)壓理論等進(jìn)行研究，進(jìn)而對風(fēng)致響應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗風(fēng)優(yōu)化進(jìn)行了系統(tǒng)的探討;結(jié)合工程實(shí)例以及實(shí)測手段，對各類風(fēng)壓插值方法進(jìn)行了研究。主要研究內(nèi)容與成果如下:
　　(1)系統(tǒng)地研究了開孔（開洞）結(jié)構(gòu)的風(fēng)致內(nèi)壓。設(shè)計(jì)了一個(gè)具有多個(gè)開孔（開洞）的風(fēng)洞剛性測壓模型，開展了10種工況下的測壓試驗(yàn)，探討了不同工況下風(fēng)致內(nèi)壓取值、分布

3、及頻譜特性，尤其是在不同參數(shù)，如風(fēng)向角、開孔位置、開孔個(gè)數(shù)等條件下的變化規(guī)律;對比分析了內(nèi)外壓功率譜、空間相關(guān)性等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，并基于風(fēng)致內(nèi)壓傳遞理論，分析不同工況下流動指數(shù)。研究結(jié)果表明:在頂部未開洞工況下，當(dāng)開孔率低于10％時(shí)，風(fēng)致內(nèi)壓可采用統(tǒng)一值表示，而頂部開洞工況下，屋蓋風(fēng)致內(nèi)壓分布較為復(fù)雜，不能夠采用統(tǒng)一值表示;頂部開洞工況下，處于屋蓋洞口氣流下游的區(qū)域具有較大的負(fù)壓值，需要引起設(shè)計(jì)人員的注意;頂部未開洞工況下流動指數(shù)結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)

4、論較為吻合，而頂部開洞工況下的流動指數(shù)鮮有研究，本文給出了頂部開洞工況下流動指數(shù)的建議值。
　　(2)系統(tǒng)地探討了屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過建立屋蓋結(jié)構(gòu)的有限元模型，基于剛性模型測壓試驗(yàn)結(jié)果，對比了CQC與SRSS頻域計(jì)算方法在大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算的適用性，進(jìn)而討論了在頻域計(jì)算中振型選取、模態(tài)耦合項(xiàng)影響以及位移脈動均方根隨風(fēng)向的變化情況。以有限元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，采用優(yōu)化算法對結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，對單目標(biāo)優(yōu)化方法與

5、多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:對于風(fēng)致敏感類結(jié)構(gòu)-大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)，SRSS方法忽略了模態(tài)耦合項(xiàng)的影響，低估了風(fēng)致響應(yīng)的結(jié)果，故對于風(fēng)致敏感類建筑結(jié)構(gòu)，宜采用CQC方法計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng);模態(tài)耦合項(xiàng)對風(fēng)致響應(yīng)結(jié)果可正可負(fù)，對于迎風(fēng)區(qū)域以及漩渦（錐形渦）區(qū)域，模態(tài)耦合項(xiàng)對風(fēng)致響應(yīng)結(jié)果為正值;對于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)，選取50階參振模態(tài)基本上能夠反映結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)的總體趨勢，當(dāng)參振模態(tài)數(shù)目達(dá)到150階時(shí)，其能夠較為精確地反映結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)的結(jié)果;結(jié)

6、構(gòu)單目標(biāo)優(yōu)化中狀態(tài)變量與目標(biāo)函數(shù)往往不能夠同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，而多目標(biāo)優(yōu)化方法，根據(jù)設(shè)計(jì)意圖設(shè)定目標(biāo)函數(shù)權(quán)系數(shù)，可得出一系列最優(yōu)解集，建議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化人員采用多目標(biāo)優(yōu)化方法對初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。
　　(3)系統(tǒng)地分析了多種插值理論與插值技術(shù)。對不同插值理論-空間內(nèi)插法、AR自回歸模型法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在測點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程模擬與重構(gòu)方面進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，具體分析了各插值理論中不同的具體插值方法。提出了將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法與小波分解相結(jié)合的方法，并在工程實(shí)例

7、與實(shí)測研究中進(jìn)行驗(yàn)證分析。結(jié)果表明:空間內(nèi)插法只考慮了風(fēng)壓分布在幾何空間的相關(guān)性，對脈動風(fēng)壓系數(shù)的插值效果不甚理想，相比之下，三角網(wǎng)線性插值與徑向基函數(shù)插值具有較好的插值精度;AR自回歸模型法基于原始數(shù)據(jù)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程獲得的脈動風(fēng)壓功率譜擬合曲線，具有較好的插值精度;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對平均風(fēng)壓系數(shù)、脈動風(fēng)壓功率譜分別進(jìn)行訓(xùn)練、插值，獲得了分布較為理想的插值結(jié)果，但在功率譜高頻部分有所偏差;基于小波分解的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在工程實(shí)例與實(shí)測研究中表現(xiàn)出較好的