大跨度屋蓋結構隨機風致振動響應精細化研究.pdf

1、大跨度空間結構的發(fā)展狀況是一個國家建筑科技水平的重要標志之一。隨著我國經(jīng)濟和文體事業(yè)的快速發(fā)展，各種造型優(yōu)美、結構新穎的大跨屋蓋被廣泛應用于航空港、體育館、展覽館等公共建筑中，以獲得盡可能大的無內(nèi)柱空間，但這類屋蓋具有質(zhì)量輕、柔度大、阻尼小、自振頻率低且密集等特點，屬于風敏感結構，風荷載成為控制結構設計的主要荷載之一。由于大跨屋蓋結構與來流之間復雜的氣動特性，至今還沒有建立一套成熟通用的大跨屋蓋風荷載及風致響應的理論框架。本文將從風荷載

2、特性及風洞試驗、結構風致動力響應頻域和時域分析法、等效靜力風荷載及結構雷暴沖擊風致響應等方面對現(xiàn)有大跨度屋蓋結構的風致響應的理論和方法進行精細化的深入研究和發(fā)展。本文的工作主要包括以下幾個方面： 1、屋蓋風荷載特性及風洞試驗的研究。在總結大氣邊界層風場特性的基礎上，詳細描述了幾種常用的脈動風速模擬方法。通過算例研究，分析比較了AR法和Shinozuka-Deodatis法各自不同的特點。并對某一大跨度飛機候機大廳屋蓋進行了剛性模

3、型風洞試驗，獲得了結構表面的風壓。同時，對結構表面平均及脈動風壓系數(shù)隨風向角變化的等值分布規(guī)律、表面關鍵測點平均及脈動風壓系數(shù)隨風向角變化的特性、關鍵測點脈動風壓概率分布特點及極值風壓估計等方面進行了細致的分析研究，得到了一些共性的規(guī)律。 2、屋蓋結構風致動力響應頻域分析法的研究。鑒于傳統(tǒng)頻域法需進行準定常假設及計算時采用的CQC法存在計算效率低下等問題，提出了一種修正的頻域法：直接采用風洞試驗得到的風壓數(shù)據(jù)并利用POD法建立了

4、屋蓋整體風壓模型，然后利用快速傅立葉變換轉(zhuǎn)化為風壓譜，在精確擬合屋蓋計算點風壓功率譜的基礎上，利用虛擬激勵法獲得屋蓋結構的風致響應。該修正法計算效率較高且拋棄了準定常假設，得到的結果具有較高的可靠性。 3、屋蓋結構風致動力響應時域分析法的研究。提出了兩種適合大跨度屋蓋結構風致響應計算的時程積分方法。首先，直接利用風洞試驗數(shù)據(jù)，并結合多階模態(tài)力法和模態(tài)解耦原理，提出多模態(tài)顯式積分法。該法具有很好的穩(wěn)定性和較高的計算效率，非常適合求

5、解大跨度屋蓋這種高階模態(tài)作用比較顯著結構的動力響應問題。其次，鑒于隨機振動離散法存在計算需不斷進行矩陣迭代的問題，結合精細時程積分法的優(yōu)點，提出多模態(tài)隨機離散精細積分法。利用這兩種方法對屋蓋結構的風致響應和風振系數(shù)進行了分析比較研究，得出了一些可供設計參考的有益結論。 4、基于雙POD模型大跨屋蓋風致響應的研究。風荷載的準確模擬是結構進行風致動力響應分析的第一步，而以往的方法無法同時建立順風向、橫風向、豎直向三維相關隨機風場的數(shù)

6、學模型。利用雙POD模型和蒙特卡羅模擬法，詳細描述了空間相關三維風場的數(shù)值模擬方法，結合多階模態(tài)加速度法的原理，在時域內(nèi)推導了一套基于雙POD原理的隨機風致響應計算方法，并研究了屋蓋表面風振系數(shù)的分布特性。 5、大跨屋蓋結構等效靜力風荷載的研究。采用LRC法和等效慣性風振力相結合的辦法來確定大跨度屋蓋結構的等效靜力風荷載。為了突破背景和共振響應SRSS組合必須假定參振模態(tài)之間能夠很好分離這一缺陷，提出了共振響應的修正方法，對于引

7、入一個模態(tài)耦合系數(shù)來修正由于不考慮模態(tài)交叉項對計算帶來的誤差。通過拱形屋蓋體系和大跨度平屋蓋體系兩種不同的屋蓋形式，詳細研究了不同屋蓋結構體系的等效靜力風荷載。 6、大跨屋蓋結構雷暴沖擊風致響應的研究。雷暴沖擊風是一種短時間產(chǎn)生的瞬態(tài)強風，形成的實質(zhì)是大氣不穩(wěn)定能量的快速釋放，且不滿足目前常用的湍流邊界層風剖面的特性。利用混合隨機模型，研究了雷暴沖擊風風場的數(shù)值模擬方法：應用豎直風剖面方程與Holmes經(jīng)驗模型模擬平均風場：使用