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。     

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。     

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。     

基于荷载效应的结构抗风设计方法研究

对等效静风荷载的基本理论进行分析,指出GB 50009-2001《建筑结构荷载规范》的风振系数法给出的等效静风荷载在只考虑1阶振型的前提下,能够实现各种荷载效应的等效;需考虑多阶振型的结构,只有在各阶振型完全相关的条件下,才能得到可满足全部荷载效应等效的静风荷载;一般情况下,包括阵风荷载因子法在内的计算方法,给出的等效静风荷载只能保证单个或多个响应目标的等效,其他荷载效应存在较大不确定性,可能造成据此进行的抗风设计偏于保守或不安全。为克服这些传统抗风设计方法的局限,提出了直接以荷载效应包络值进行结构抗风设计的基本思路：结合风洞试验得到各种荷载效应在不同风向角下可能出现的上、下限值,再将其与其他荷载作用下的效应直接组合进行结构设计。通过工程实例分析表明,采用阵风荷载因子法得出的等效静风荷载值可能导致其他荷载效应被大大高估,而直接采用荷载效应包络值用于结构设计,不但其值准确,且易于操作。     

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。     

鞍形索网等效静力风荷载研究

针对大跨度屋盖结构多振型参与振动的特点,提出了一套确定该类结构等效静力风荷载的精细化方法。该方法的流程包括风振响应分析和静力等效两个阶段,每个阶段又分为平均分量、背景分量和共振分量等3个部分分别进行研究。风振响应分析时,背景响应分析采用准静力方法;共振响应分析综合运用本征正交分解法(POD法)和Ritz向量直接叠加法。静力等效时,等效静力风荷载的背景分量采用荷载响应相关系数法分析,其共振分量表示为多个主要参与振型惯性力的组合。基于本文的分析方法,对一鞍形索网结构的风振响应和等效静力风荷载进行了研究,探讨了不同风向下、针对不同响应的等效静力风荷载分布情况。结果表明本文方法能够有效地分析大跨度屋盖结构的风振响应和等效静力风荷载,能够解决大跨度屋盖结构中多振型参与振动这一主要问题。     

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。     

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。     

大型火车站雨棚风荷载特性试验研究

对3个大型火车站雨棚进行风洞测压试验,分析结果表明开放式雨棚受站房影响较大,在不同风向下可能形成"上吸下顶"的受力特征,造成局部风压幅值的增加。由于风压分布不均匀和尾流区范围大等原因,体量较大的雨棚平均整体风吸力系数在-0.25左右,远小于小体量的雨棚,且基底竖向反力的变化范围也比较小。结合测压时程,采用广义坐标合成法计算了雨棚的风振响应,着重指出由于雨棚整体风压基本上是风吸力,因而对应最大竖向反力的风振系数可能出现负值或很高的正值,导致得出的等效静风荷载不合理,此时采用附加风振力法可得出更符合实际情况的等效静风荷载。     

大跨双层屋盖结构风洞试验与风振响应研究

对南太湖湿地奥体公园复杂体型体育场双层屋盖结构进行了风荷载的风洞试验与风致动力响应研究。屋盖由高低两个开口椭圆屋面叠合而成,两屋面之间设置观光走廊。利用风洞模型试验测定了双层屋盖上下表面的平均和脉动风压时程数据。通过计算分析得到了屋盖结构局部测点的极值风压以及平均风荷载整体合力与最不利风向角。然后基于有限元方法对该屋盖进行了风振响应的动力时程分析,获得了结构风振系数、等效静力风荷载的分布图以及考虑风振效应的最不利风向等数据和结论。     

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。     

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。     

三管集束式钢烟囱风致响应与风振系数研究

为研究三管集束式钢烟囱风致响应与风振系数,以国内某在建180m高三管集束式钢烟囱为研究对象,通过同步刚体测压风洞试验,得到了不同风向角下三管集束式钢烟囱各排烟筒表面平均与脉动风压;采用有限单元法建立排烟筒-加劲环-工字梁一体化有限元模型,对不同风向角下三管集束式钢烟囱结构体系的风致响应进行完全瞬态时域动力分析,研究以径向位移、子午向轴力、环向弯矩和von Mises应力等4种响应作为响应目标的排烟筒一维、二维和三维响应风振系数分布特性及取值标准,给出了典型风向角下三管集束式钢烟囱分层及整体风振系数的取值建议。研究表明：基于4种响应目标的风振系数沿子午向和环向具有明显的二维分布特征,层风振系数随高度逐渐增大,整体风振系数建议取值为2.12。     

大跨度煤棚主体结构设计风荷载的神经网络建模研究及应用

风荷载是大跨度煤棚结构设计中的主要控制荷载。随着结构抗风研究尤其是风洞试验数据的积累,结合数据挖掘进行结构智能化抗风设计是一种趋势。基于701组工况4581个柱面及球面屋盖风洞试验样本进行数据挖掘和统计分析,建立了脉动风荷载参数的广义回归神经网络预测模型;通过对12480个工况的单、双层柱面及球面网壳结构进行参数化风振响应分析,总结了等效静风荷载的经验表达式;建立了基于人工神经网络预测气动风荷载的主体结构等效静风荷载的抗风设计基本框架,并通过国内某超大跨度干煤棚张弦结构进行了有效性验证。结果表明：采用本文提出的风荷载数据库预测与等效静风荷载方法效率较高,且能够在一定程度包络风振响应分析结果,可用于结构初步设计阶段对主体结构设计风荷载快速预估。     

基于风洞试验的对称截面高层建筑三维等效静力风荷载研究

基于刚性模型表面测压风洞试验建立高层建筑三维风荷载模型,进而运用振型加速度法求解风振响应动力方程,得到了包含拟静力项和惯性力项的弹性力响应解,并推导了对称截面高层建筑顺风向、横风向和扭转向风致随机内力响应。在此基础上提出了基于内力响应等效的可考虑高阶振型贡献的对称截面高层建筑顺风向、横风向和扭转向等效静力风荷载计算方法。结合某一对称截面高层建筑工程实例,对采用上述方法计算得到的结构三维等效静力风荷载进行分析并与我国规范方法顺风向等效静力风荷载计算结果进行比较。结果表明,高层建筑结构抗风设计应该考虑三维等效静力风荷载,且二阶振型对高层建筑等效静力风荷载的贡献不可忽视。     

单层折面空间网格结构风荷载特性及等效静风荷载研究

对单层折面空间网格结构的表面风压分布和风振响应特性进行研究,采用荷载 响应相关法(LRC)与惯性力法计算结构的等效静风荷载,并分析了其计算精度,结果表明：在迎风面的体育场屋盖部分,气流在经过迎风面屋盖檐口后发生明显分离,形成漩涡,此处的平均负风压和脉动风压最大;整个屋面的绝大部分表面风压都表现为负压。增加肩谷环后,结构横向刚度提高较大,结构的1阶和2阶振型由原来的结构整体水平振动变为罩棚前端内环端部的局部竖向振动;在单层折面空间网格结构的风振响应中,参与结构振动振型较多,需要考虑多阶振型影响,且参与结构振动的主要为低阶振型;在脉动风荷载作用下各振型耦合作用较小;用LRC与惯性力法得到的单层折面空间网格结构等效静风荷载,计算精度可满足工程要求。