基于响应时程的大跨度空间结构等效静风荷载分析方法

提出以特定时刻的瞬时风压分布为基础,计算大跨度空间结构等效静风荷载的基本方法。首先利用广义坐标合成法得到目标响应的时程,从中确定产生最大响应的时刻,再以该时刻的瞬时风压分布为基础,采用动力放大因子法或附加风振力法计算等效静风荷载。当采用附加风振力法将瞬时风压和附加风振力叠加时,可以得到与风压作用方向不同的等效静风荷载,避免了在某些情况下对风压的过度放大。为便于工程应用,根据精确的等效静风荷载计算式,将荷载中的准静态分量和附加风振力分离,提出了附加风振力的简化计算式。通过大型结构算例分析,证明采用上述方法可以给出合理的等效静风荷载分布,不但能够保证响应目标的等效,其他响应也符合真实情况。     

大跨度屋盖等效静风压计算方法

为解决现有节点形式的大跨度屋盖等效静风荷载应用不便的问题,提出以分块风压方式描述的大跨度屋盖等效静风荷载计算方法。首先根据屋面风荷载分布特征进行分区处理,通过结构风致响应的快速分析,依据区域内节点的弹性恢复力得到各区域包含结构风振影响的等代风压时程,再由等代风压时程相关性和本征正交分解方法计算得到以等代风压为等效目标的分块等效静风压分布。进一步对由于区域平均处理所引起响应的偏差,提出了补偿方法并对分块等效静风压进行修正。针对不同风向等效分析所产生庞大工况数据,基于遗传算法提出一种自动筛选工况的方法,最终获取可以体现屋盖整体受风作用效应特征的最佳等效工况数据。将所提方法应用于某大型机库屋盖的等效风压计算,结果表明：采用补偿修正过的等效静风压能够较好地反映结构的风致响应特点;相比已有的节点荷载方式,分析筛选出来的少量的经过补偿处理的等效静风压工况,可以很好地重现结构的极值位移响应,验证了所提方法的有效性和可靠性。     

国家海洋博物馆风洞试验与等效静风荷载研究

以国家海洋博物馆钢结构屋盖为研究对象,采用刚性模型同步测压风洞试验对建筑表面的平均及脉动风荷载进行测定,考察了典型风向下屋盖表面风荷载特性。建立结构整体有限元模型,利用时程分析方法获得结构在风荷载作用下的最大节点位移和杆件应力。引入多目标等效静风荷载分析方法,以结构在风荷载作用下的最大动力响应为控制指标,获得针对多个等效目标的静力风荷载分布并对等效结果进行了验证。结果表明,该方法可以实现以少量静力风荷载分布形式实现所有响应均与动力极值响应等效。     

大跨屋盖结构多目标等效静风荷载分析方法

针对大跨屋盖结构多振型参与风振的特点,提出一种多目标等效静风荷载确定方法。其基本思想是,分别建立多目标等效方程组和约束方程组,前者可获得与各等效目标吻合程度最好的解,后者是根据风荷载作用方向为垂直于建筑物表面的钝体空气动力学原理得到的风荷载各方向分量的关系,限制某些奇异荷载作用模式的出现,从而解决了大跨屋盖结构等效静风荷载研究中突出存在的多目标等效问题。结合两个典型大跨屋盖结构的风洞试验,对不同类型的结构响应进行了等效静风荷载分析,并将分析结果与采用单目标方法所得的结果进行对比,结果表明该方法得到的等效静风荷载作用下各类响应均与动力极值响应吻合良好,达到了以少量的等效静风荷载模式实现所有目标等效的目的,并且所得等效静风荷载分布较符合实际风荷载作用规律。     

基于Ritz-POD的大跨屋盖结构风振响应分析和风效应静力等效方法

大跨屋盖风振响应中的多振型参与特性,及由此导致的多目标等效静风荷载问题,一直是大跨屋盖结构风工程研究和工程应用十分关注的问题。对作者及合作者近年来在该方面的研究工作所取得的进展进行了总结,并加以发展。利用POD分解得到本征模态表达的脉动风荷载空间分布形式,确定与荷载分布形式对应的Ritz向量,即主导模态;推导脉动风响应中背景响应和共振响应的数学表达式,给出背景响应与共振响应间的相关性分析方法;根据结构风振响应特性,以风荷载主要本征模态和结构主导振型惯性力构造多目标等效静风荷载的基本向量,利用最小二乘法得到基本向量的最优组合系数,从而得到针对多个等效目标的等效静风荷载。并通过对跨度40m的K6型单层球面网壳结构的计算验证本文方法的有效性和准确性。     

国家体育场多目标等效静风荷载

针对大跨结构的风振响应特点，研究多目标等效静风荷载的分析方法，并采用该方法对国家体育场等效静风荷载进行了研究。该等效静风荷载分析方法的基本过程是:根据结构风振响应特性，选择风荷载的主要本征模态和结构主导振型惯性力作为构造多目标等效静风荷载的基本向量，根据最小二乘法，得到基本向量的最优组合系数，从而得到针对多个等效目标的等效静风荷载。国家体育场的分析结果表明:在所有风向下的风振响应中，背景响应远大于共振响应，其中0°风向和270°风向对结构最为不利；在针对多等效目标的等效静风荷载作用下，所有关键位置的节点位移响应和支座反力都与实际动力响应极值吻合较好。     

深圳平安国际金融大厦风致响应大涡模拟分析

运用一种新的湍流脉动流场产生方法模拟了三种风场的湍流边界条件,采用一种新的大涡模拟的亚格子模型,基于Linux系统下软件平台Fluent 6.3的并行计算技术,对深圳平安国际金融大厦进行了全尺寸、高雷诺数（高达10×10⁸量级）的数值风洞模拟。计算了三种风场下建筑表面平均、脉动风压及风荷载时程数据。利用惯性风荷载（IWL）法得到三种风场下深圳平安金融大厦的基底等效静风荷载以及结构顶部峰值加速度响应。分析了不同的湍流来流对结构风压系数、风荷载及加速度响应的影响。分析结果表明：三种来流风场条件下,深圳平安金融大厦周围风场相差较大,来流的湍流强度越高,建筑物前方的脉动风速越高;顺风向等效风荷载主要受平均风速控制,横风向等效风荷载主要受脉动风控制;湍流强度越大,横风向等效风荷载越大;中国规范建议的湍流流场下,深圳平安金融大厦10年重现期顺风向、横风向峰值加速度响应满足居住者舒适度要求。     

三维脉动风模拟技术在大跨机库风振分析中的应用

风荷载在大跨度屋盖结构设计中往往起主要作用,这使得该类结构的风荷载及风致动力响应研究日益受到关注与重视。结合大跨度机库屋盖表面脉动风作用特点,依据改进的Iwatani线性回归滤波器法并结合中心采样定理,实现了基于Matlab的超大跨度网架结构三维空间相关脉动风速时程模拟。以Davenport谱为目标谱对首都机场六机位机库网架所有上弦节点位置处的随机脉动风速时程进行了模拟。进而结合风洞试验数据,依据屋盖各节点风压系数将模拟的风速时程加载于机库结构并进行风振响应时域分析,以研究三维脉动风作用下超大跨度机库屋盖结构的响应特点。分析结果表明本文模拟空间随机脉动风的方法可以较好地考虑大跨机库表面的脉动风特点,为结构的风振时域分析提供准确的荷载时程。     

平面拱形桁架等效静风荷载研究

对矢跨比分别为1/4、1/6、1/8的3个拱形屋面进行了同步测压风洞试验,分析风荷载和结构参数对平面拱形桁架风振响应和等效静风荷载的影响规律。风洞试验结果表明, 0°风向时,高矢跨比屋面的最大负压幅值出现在屋顶,而低矢跨比的出现在迎风前缘。从方便工程应用的角度,采用简化振型函数表达针对结构多个位移和杆件应力响应的多目标等效静风荷载。在工程常用范围内,分析结构矢跨比、跨度、屋面质量、设计风速和风向等参数对中部和端部平面拱形桁架多目标等效静风荷载的影响,得到可用于指导该类结构抗风设计的等效静风荷载风压系数建议值,且经校核,在该等效静风荷载作用下的结构响应与实际动力响应极值吻合较好。     

大跨度铁路站房屋盖结构风洞试验与等效静风荷载研究

以哈尔滨西客站站房屋盖结构为研究对象,采用刚性模型同步测压风洞试验对建筑表面的平均及脉动风荷载进行测定,结合本征正交分解技术对风压场进行重构及预测,解决了风压测点与结构有限元模型节点的不匹配问题。分别建立整体结构和屋盖结构有限元模型,利用时程分析方法考察了下部结构对风致响应的影响,研究表明下部结构会导致屋盖结构的刚度弱化,建模中忽略下部结构可能导致对屋盖结构位移和内力响应的低估。引入多目标等效静风荷载分析方法,以结构在风荷载作用下的最大动力响应为控制指标获得针对多个等效目标的静风荷载分布,并对等效结果进行了验证,结果表明该方法可以实现以少量静风荷载分布形式实现所有响应均与动力极值响应等效。     

车辐式大跨度张拉索膜结构的风振响应分析

车辐式大跨度张拉索膜结构由于质量轻、刚度相对较弱,对地震作用具有良好的适用性,但对脉动风作用却比较敏感.国内外由动风荷载引起的大跨度索膜结构的破坏也屡见不鲜.本文运用非线性有限元动力时程方法对该类结构进行了参数化分析,其中主要讨论了不同预应力度和膜材张拉刚度对车辐式大跨度张拉索膜结构风振响应的影响,并对动风等效进行了初步分析,得到了可供工程实际参考的动风等效系数.     

塔架结构的脉动风荷载数值模拟及响应

脉动风荷载数值模拟是进行风荷载响应分析的基础。采用三角级数法对脉动风荷载进行了模拟,并借助有限元分析软件,对风荷载作用下塔架结构的动力时程响应及频谱特征进行了分析。     

多风向多目标等效静风荷载分析方法及应用

针对大跨空间结构中多振型参与风振响应特点和工程应用需要,提出针对多个风向的多目标等效静风荷载分析方法。根据所有风向的平均风荷载（或者风振响应极值）分布之间的相似性指标,将所有风向分为若干个风向区,计算各风向区的风振包络响应;在每个风向区内,选择平均风荷载分布和结构主导振型惯性力作为构造多目标等效静风荷载的基本向量,根据最小二乘法,得到基本向量的最优组合系数,从而得到针对多个风向、多个等效目标的等效静风荷载。将该方法用于某大型科技新馆,分析结果表明：根据各风向下屋面平均风压系数分布间的相关系数,36个风向角仅需分成3个风向区,且各风向区等效静风荷载作用下的静力响应与实际动力响应包络响应吻合较好,验证了所提方法的计算精度和工程应用的便利性。     

大跨空间结构的多目标等效静风荷载分析方法

针对大跨空间结构风荷载空间分布复杂、多振型参与结构风振以及等效静风荷载中存在多等效目标等特点,以作者提出的单目标(即等效目标)等效静风荷载分析方法为基础,提出多目标等效静风荷载的分析方法,该方法的基本思想是:根据结构风振响应特性,选择风荷载的主要本征模态和结构主导振型惯性力作为构造多目标等效静风荷载的基本向量;根据最小二乘法,得到基本向量的最优组合系数,从而得到针对多个等效目标的等效静风荷载。该分析方法的优点是:能够再现风振响应特点,又能解决工程中的多等效目标问题。最后,将该方法应用于一单层球面网壳,结果表明:一个等效静风荷载分布形式就可以实现某一类响应(如所有节点的位移)都与动力极值响应等效,验证了本文方法的有效性和精度。     

柱壳屋盖的等效静风荷载

根据弹性恢复力的模态展开式和计算响应的拟静力公式导出产生屋盖结构最大峰值响应的等效静风荷载。给出两种计算等效静风荷载的途径,一种表示为模态等效静风荷载的加权组合,另一种表示为背景分量与共振分量的加权组合。利用同步多点压力扫描技术对一个柱壳屋盖结构进行了风洞试验。采用完全二次型组合法(CQC法)和平方总和开方法(SRSS法)计算了不同风向角下竖向位移的峰值响应,说明了模态耦合的影响。将两种途径计算的柱壳屋盖等效静风荷载分布与平均风荷载分布作了比较,分析了相应的峰值响应与平均响应。分析结果表明:许多结点的等效静风荷载远大于平均风荷载,而且脉动风效应和共振效应也应引起重视。     

张拉膜结构非线性动力特性分析

采用线性滤波器法对张拉膜结构进行了风荷载数值模拟,并运用CFD数值风洞的方法对张拉膜结构进行了数值风洞模拟,得到了便于工程使用的体型系数划分图,最后将取得的脉动风荷载时程进行非线性时程分析,讨论了结构参数对主应力水平的影响,比较了结构在脉动风作用下的主应力和自平衡状态下主应力水平,确定了风敏感区域,最后对结构典型区域节点的动力特性做出评价。     

基于平均风压和脉动风压双基向量的屋盖等效静风荷载确定方法

大跨屋盖结构的等效静风荷载研究一直有适用性和精确性如何统一的问题。针对此问题提出了一种新的等效静风荷载确定方法,其基本思想是以平均风压和脉动风压为基向量,对结构的极值响应利用最小二乘法进行拟合。该方法的优点是:1)以平均风压及脉动风压为基向量,符合风工程的特点,具有明确的物理意义;2)利用该方法获得的结果和结构真实风振响应吻合良好,精确性高;3)利用该方法可以统计分析得到不同结构的等效静风荷载系数,便于工程应用。对平板网架、单层球面网壳、单层柱面网壳三种典型屋盖结构进行等效静风荷载分析,给出了可供工程应用的等效静风荷载计算表,表中给出位移、支座反力和杆件应力三种等效目标下的平均风压系数和脉动风压系数。     

高耸钢塔结构风振响应分析

本文首先介绍了风荷载模拟基本理论,并按Davenport风速谱理论,借助数值分析软件MATLAB编制谐波叠加法程序,模拟了场地上不同高度处具有空间相关性的钢塔结构的脉动风荷载时程曲线。在模型降阶的基础上,将模拟得到的风荷载时程加到模型上,利用Newmark-β方法进行风振响应时域计算,通过SAP2000有限元软件模拟计算得到结构的风振响应。     

某钢结构观景塔的粘滞流体阻尼器风振控制研究

文章以某钢结构观景塔为例,对应用粘滞流体阻尼器的高柔结构进行风振响应控制分析.通过MATLAB模拟生成脉动风时程,采用"等效静风荷载法"对安置了粘滞流体阻尼器的观景塔进行风振响应分析,结果表明安装了阻尼器后,可以有效降低结构在风振激励下的水平振动,满足舒适度要求.     

高层建筑风荷载干扰效应数值模拟研究

利用ANSYS - CFX软件对相邻两个高层建筑的风致干扰效应进行数值模拟及结果分析,通过比较发现在风致干扰情况下,由于气流的脉动性显著增加,两个高层建筑的荷载作用较单体建筑情况下明显增大.此外,还进行了动力时程分析,包括结构的等效静力风荷载和位移响应两个方面,结果同样表明干扰效应结构响应比单体模拟结果明显增大,增大最显著的是横风向响应.计算得到建筑物在干扰情况下的风振系数比单体时增大约8％.分析得到了等效的相互干扰增大系数,进一步表明了干扰效应对风荷载的增大作用.