體育場環(huán)狀懸挑屋蓋風(fēng)荷載特性及風(fēng)振分析.pdf

1、體育場環(huán)狀懸挑屋蓋是大跨懸挑屋蓋的一種復(fù)雜類型，既具有一般大型體育場懸挑屋蓋跨度大、結(jié)構(gòu)柔等風(fēng)敏感的特點，又具有風(fēng)荷載及風(fēng)環(huán)境復(fù)雜的特征，復(fù)雜的風(fēng)荷載分布及由此引起的風(fēng)致振動往往是控制結(jié)構(gòu)安全性能的主要因素。在過去的研究中，研究人員主要側(cè)重于簡單的體育場懸挑屋蓋模型，通過試驗對矩形或弧形的單側(cè)或雙側(cè)懸挑屋蓋進(jìn)行風(fēng)荷載機(jī)理分析，總結(jié)風(fēng)荷載分布規(guī)律，從荷載規(guī)范或建議的角度解決體育場懸挑屋蓋設(shè)計的風(fēng)荷載取值問題。由于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜多變，有關(guān)方法

2、在體育場環(huán)狀懸挑屋蓋的設(shè)計中難以應(yīng)用。本文采用先進(jìn)的數(shù)值計算技術(shù)，結(jié)合試驗結(jié)果，深入研究了體育場環(huán)狀懸挑屋蓋風(fēng)荷載的數(shù)值模擬方法及風(fēng)振響應(yīng)特性，提出了一種分析復(fù)雜大跨屋蓋結(jié)構(gòu)靜動力荷載的高效方法，為大懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計提供依據(jù)。 本文首先針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)和模型的特點改進(jìn)數(shù)值模擬方法，通過優(yōu)化離散格式和改進(jìn)湍流模型提高平均風(fēng)荷載的模擬精度，并對多個實際的體育場環(huán)狀懸挑屋蓋上的平均風(fēng)荷載進(jìn)行了模擬和分析；在細(xì)致討論了大渦模擬方法模擬脈

3、動風(fēng)荷載的性能之后，結(jié)合改進(jìn)的準(zhǔn)定常理論提出脈動荷載模擬的簡化方法，并對各種體形的體育場環(huán)狀懸挑屋蓋脈動風(fēng)荷載的譜密度特性進(jìn)行了歸納總結(jié)；最后采用本文提出的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的完全背景與共振分量法對復(fù)雜屋蓋結(jié)構(gòu)的整體風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行高效精確計算，詳細(xì)分析了體育場環(huán)狀懸挑屋蓋風(fēng)振響應(yīng)的特性。 本文的主要工作有以下幾個方面： 1．比較深一步地研究了復(fù)雜大跨屋蓋結(jié)構(gòu)平均風(fēng)壓數(shù)值模擬方法。首先簡述計算風(fēng)工程的理論，然后針對復(fù)雜大跨屋蓋結(jié)構(gòu)

4、平均風(fēng)壓模擬的難點，從比較關(guān)鍵的計算收斂性和湍流模擬精度方面入手，采用人工粘性方法來穩(wěn)定數(shù)值計算，同時結(jié)合實測風(fēng)壓數(shù)據(jù)提出改進(jìn)的湍流物理模型，以提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈍體邊緣分離區(qū)的數(shù)值模擬精度。這些工作都是在CFX5軟件平臺上自編程序?qū)崿F(xiàn)的。最后對一個實際的體育場環(huán)狀懸挑屋蓋平均風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值模擬，將改進(jìn)方法與原有數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，驗證改進(jìn)的方法在計算風(fēng)工程中的有效性。 2．給出穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬的具體建議和評判標(biāo)準(zhǔn)，并分析比較不同環(huán)狀懸挑

5、屋蓋上平均風(fēng)荷載的特性。先從湍流模型、計算域的定義、湍流入口條件、網(wǎng)格分布形式、迎風(fēng)格式離散階數(shù)、收斂標(biāo)準(zhǔn)各個方面給出具體建議，再給出數(shù)值模擬結(jié)果可靠性的評判標(biāo)準(zhǔn)，使數(shù)值模擬盡量標(biāo)準(zhǔn)化，減少復(fù)雜結(jié)構(gòu)上穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬的誤差因素；隨后重點對三個不同類型環(huán)狀體育場懸挑屋蓋平均風(fēng)壓進(jìn)行預(yù)測，將數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗比較，結(jié)合風(fēng)洞試驗的結(jié)果，分析環(huán)狀懸挑屋蓋上平均風(fēng)荷載的特性。 3．嘗試進(jìn)行了體育場懸挑屋蓋上脈動風(fēng)荷載的數(shù)值模擬，并分析了環(huán)

6、狀懸挑屋蓋上脈動風(fēng)荷載的特性。針對簡單體育場懸挑屋蓋模型，采用Smagorinsky模型、動力亞格子模型、一方程模型三種亞格子應(yīng)力模型進(jìn)行大渦模擬，用數(shù)值方法研究體育場懸挑屋蓋上脈動荷載產(chǎn)生機(jī)理，并分析各種方法精度，其中后兩個亞格子應(yīng)力模型由自編程序?qū)崿F(xiàn)。針對大渦模擬在復(fù)雜三維模型中的應(yīng)用困難，結(jié)合改進(jìn)準(zhǔn)定常理論提出脈動荷載均方值的數(shù)值模擬方法，實現(xiàn)脈動荷載的近似模擬。最后，根據(jù)風(fēng)洞試驗測量的風(fēng)壓時程數(shù)據(jù)，總結(jié)各種環(huán)狀懸挑屋蓋上脈動風(fēng)荷

7、載的自譜特性及相干特性。 4．采用協(xié)方差積分法結(jié)合柔度矩陣精確求解背景分量，提出大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的完全背景與共振分量響應(yīng)方法，編寫了大跨屋蓋結(jié)構(gòu)完整的風(fēng)荷載分析程序，對體育場環(huán)狀懸挑屋蓋進(jìn)行風(fēng)振計算及相關(guān)因素分析。 以隨機(jī)振動理論為基礎(chǔ)，用有限元方法分析結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)，并從數(shù)值計算效率的角度，采用雙精度稀疏矩陣格式對振動方程的完全二次方結(jié)合法(CQC，Complete Quadratic Combination)進(jìn)行高效精確計

8、算。并將CQC法分離成背景和共振響應(yīng)兩個分量，直接采用協(xié)方差積分法結(jié)合柔度矩陣精確求解背景分量，提出大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的完全背景與共振分量響應(yīng)方法，其中共振分量考慮模態(tài)交叉項的作用。在對兩個體育場環(huán)狀懸挑屋蓋振動特性進(jìn)行分析之后，考察了各種大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析方法的精度，并分析了兩個體育場環(huán)狀懸挑屋蓋風(fēng)振計算中的相關(guān)因素，主要包括參振模態(tài)數(shù)目、荷載譜密度、相干函數(shù)的影響，背景與共振分量的作用等。本章工作編寫了相對完整的風(fēng)振分析程序DWIND，