現(xiàn)代結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)分析和可靠度分析中的若干問(wèn)題研究.pdf

1、風(fēng)荷載是建筑結(jié)構(gòu)的重要荷載，合理的進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)，是保證結(jié)構(gòu)安全的重要因素。隨著科技水平的不斷提高，現(xiàn)代高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)朝著更高、更柔的方向發(fā)展，這使得建筑物的自振頻率越來(lái)越接近自然風(fēng)的卓越頻率，建筑物在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)也越來(lái)越顯著。在非抗震區(qū)，風(fēng)荷載甚至成為結(jié)構(gòu)水平向的控制荷載，因此有必要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)進(jìn)行深入研究。 20世紀(jì)60年代，Davenport的一系列研究使結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生了巨大的進(jìn)步。他將風(fēng)荷

2、載分為平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)兩部分，把其中的脈動(dòng)風(fēng)看成一平穩(wěn)高斯隨機(jī)過(guò)程，并提出了脈動(dòng)風(fēng)的功率譜密度模型。通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)理論，可以得到結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，Davenport提出采用等效靜風(fēng)荷載代替實(shí)際的風(fēng)荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，等效靜風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和實(shí)際風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)相等。他還并提出風(fēng)振系數(shù)的概念，風(fēng)振系數(shù)定義為等效靜風(fēng)荷載和平均風(fēng)荷載的比值。Davenport提出的這些基本理論和設(shè)計(jì)方法至今仍為各國(guó)規(guī)范采用，

3、我國(guó)規(guī)范也是如此。 然而我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中的等效風(fēng)荷載計(jì)算方法對(duì)某些新興結(jié)構(gòu)的考慮有所欠缺，點(diǎn)連接式玻璃幕墻(以下稱點(diǎn)支式玻璃幕墻)即是如此。我國(guó)規(guī)范將玻璃幕墻結(jié)構(gòu)視為圍護(hù)和裝飾結(jié)構(gòu)，其等效風(fēng)荷載通過(guò)僅考慮風(fēng)壓隨時(shí)間變化的陣風(fēng)系數(shù)來(lái)計(jì)算。這在幕墻結(jié)構(gòu)跨度較小，自振頻率較大時(shí)是合理的，而且能夠簡(jiǎn)化計(jì)算。然而隨著超高、大跨幕墻在實(shí)際工程中的不斷應(yīng)用，幕墻支撐結(jié)構(gòu)隨之越來(lái)越柔，其風(fēng)致振動(dòng)也越來(lái)越顯著，采用陣風(fēng)系數(shù)將導(dǎo)致不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此

4、外，點(diǎn)支式玻璃幕墻一般有其獨(dú)立的支撐體系，所以本質(zhì)上講，大部分點(diǎn)連接式玻璃幕墻已經(jīng)脫離了傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和裝飾結(jié)構(gòu)的范疇，因此有必要采用針對(duì)點(diǎn)支式玻璃幕墻自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 筆者為此從隨機(jī)振動(dòng)理論出發(fā)，對(duì)點(diǎn)支式幕墻支撐結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行了研究。本文首先提出了點(diǎn)支式幕墻的風(fēng)振分析模型。以其中的兩端簡(jiǎn)支模型為基礎(chǔ)，得到點(diǎn)式幕墻支撐結(jié)構(gòu)在隨機(jī)風(fēng)荷載作用下響應(yīng)的具體表達(dá)式，并由此建立了點(diǎn)式幕墻支撐結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)簡(jiǎn)化算式。通過(guò)

5、數(shù)值仿真計(jì)算驗(yàn)證了該算法的有效性。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)兩端固支和幕墻底部高度不為O的情況進(jìn)行了分析，提出使用支承方式修正系數(shù)和底部高度修正系數(shù)來(lái)完善上述幕墻風(fēng)振系數(shù)計(jì)算公式。最后得到的計(jì)算公式與現(xiàn)行荷載規(guī)范中風(fēng)振系數(shù)的表達(dá)式在外形上基本一致，可方便的應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)，也可作為修訂規(guī)范或規(guī)程時(shí)的參考。 采用等效風(fēng)荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)確實(shí)十分方便，但是自然界中實(shí)際的風(fēng)荷載是隨時(shí)間隨機(jī)變化的，而等效風(fēng)荷載是確定的、不隨時(shí)間變化的。因此，上

6、述等效必然是在一定概率意義上的等效。因此我們有必要對(duì)這種等效的可靠度水平進(jìn)行研究，以便對(duì)我國(guó)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的安全度有一個(gè)整體上的評(píng)估，這即為等效風(fēng)荷載的可靠性分析。 由于需要考慮風(fēng)荷載的動(dòng)力特性，因此等效風(fēng)荷載的可靠度分析的理論基礎(chǔ)為動(dòng)力可靠度理論。動(dòng)力可靠度是指結(jié)構(gòu)在隨機(jī)動(dòng)荷載的作用下，在給定的一段時(shí)間內(nèi)不發(fā)生破壞和失效的概率。本文首先介紹了目前常見的基于首次超越破壞機(jī)制的動(dòng)力可靠度分析方法：Gauss分布法、Rayleigh分

7、布法、Poisson過(guò)程法、蒙特卡羅法。研究發(fā)現(xiàn)這幾種方法均存在一定的缺陷。Gauss分布法、Rayleigh分布法和Poisson過(guò)程法均不能考慮隨機(jī)過(guò)程頻譜帶寬參數(shù)對(duì)動(dòng)力可靠度分析結(jié)果的影響，而蒙特卡羅法計(jì)算精度取決于模擬的次數(shù)，計(jì)算量相當(dāng)大。 為此本文從現(xiàn)有的動(dòng)力可靠度的極值理論出發(fā)，以平穩(wěn)高斯隨機(jī)過(guò)程極值的精確分布為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出一種新的動(dòng)力可靠度計(jì)算公式。該算式考慮了頻譜帶寬參數(shù)對(duì)動(dòng)力可靠度的影響，具有極高的精度和適用范

8、圍。數(shù)值算例的結(jié)果驗(yàn)證了該算式的優(yōu)越性。 以本文提出的動(dòng)力可靠度算式為基礎(chǔ)，可以對(duì)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中等效風(fēng)荷載的可靠度進(jìn)行分析。為了研究的可行性，本文忽略了風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)、體型系數(shù)和風(fēng)壓高度系數(shù)這三個(gè)參數(shù)的隨機(jī)性，而著重考慮脈動(dòng)風(fēng)的隨機(jī)過(guò)程性和平均風(fēng)的隨機(jī)變量性對(duì)等效風(fēng)荷載可靠度的影響。在此條件下，本文對(duì)等效靜風(fēng)荷載取值的可靠性進(jìn)行了分析，得到等效風(fēng)荷載可靠度的計(jì)算公式，并通過(guò)大量的計(jì)算得到其隨結(jié)構(gòu)第一自振頻率、結(jié)構(gòu)高度、場(chǎng)地條件、