单层平面索网幕墙结构的实用抗风设计方法研究

通过对比建筑结构等效静力风荷载研究的主要分析方法,结合单层索网结构的风振响应特性,采用第一阶振型惯性力近似表达脉动风对应的等效风振力,推导了单层索网结构等效静力风荷载的解析表达形式,并给出了相应的荷载风振系数的显式表达式。分析过程中引入了一些重要参数简化计算,如引入调整系数来考虑更精确的多阶振型组合效应以及索网的几何非线性因素的影响;引入转换系数来反映由于采用与频率无关的相干函数代替与频率相关的相干函数所导致的偏差等。在单层索网幕墙结构的工程常用参数范围内,采用较合理的计算方法,如正交设计方法,对这些参数进行了系统分析,提出了可供工程设计参考实用抗风设计方法。工程算例分析表明,该文的抗风设计方法与动力分析结果吻合较好。     

单层网壳结构风振响应的模态耦合效应分析

基于网壳结栖频谱分布密集、空间相关性强的自身特性，其风致动力响应不仅要考虑多阶模态的贡献，通常还要考虑模态耦合效应。因此，对网壳结构风振响应的模态耦合效应进行研究很有必要。根据模态广义位移协方差矩阵的特性，对Kiewitt6—6型单层球面网壳和三向网格单层柱面网壳结构的模态耦合效应进行了系统的参数分析，在此基础上，给出了网壳结构风振响应的模态耦合效应程度判据。     

单层网壳结构风振响应的主要贡献模态识别

网壳结构具有频谱分布密集、振型复杂的动力特性，在对该类结构进行风振响应分析时，通常存在着一些对响应贡献较大的高阶振型，但由于其频率较高而容易被忽略。因此，研究网壳结构风振响应的主要贡献模态分布规律有利于提高结构风振响应计算的精度和效率。本文利用Ritz-POD法，分析了单层球面网壳和单层柱面网壳结构风振响应的主要贡献模态，着重考察了主要贡献模态的自身参振能力。及其与脉动风压空间分布模式之间的关系。在此基础上，初步给出了网壳结构风振响应的主要贡献模态识别准则。     

单层平面索网结构风振响应的几何非线性特性研究

单层索网体系具有刚度小，质量轻，阻尼小等特点，对风荷载较为敏感，目前对该结构体系风振响应分析的相关研究很少，我国现行幕墙规范相关设计方法也不完善，深入研究索网结构的抗风性能显得尤为迫切。本文以线性自回归模型模拟脉动风速，采用随机模型时程分析方法计算索网的风振响应，探讨考虑不同脉动风速空间相干函数对分析结构风振响应的影响，着重研究在3种索网分析模式下的动力时程响应特征，以及在静力荷载作用下索网的非线性程度，分析结果表明：采用与风频率相关的空间相干函数进行索网的响应分析更合理；索网在平均风荷载作用下达到平衡位置后，在脉动风荷载作用下的非线性程度较弱，可以近似作为线性结构处理，因此可以平均风荷载作用下的平衡位置作为基准，采用频域方法分析单层平面索网的风振响应，这为下一步系统地研究点支式幕墙单层平面索网结构的抗风设计方法奠定基础。     

鞍形索网的风振响应特性研究

将风振响应分为平均响应、背景响应和共振响应三部分,其中背景响应采用影响线的方法计算,共振响应采用Ritz-POD法计算.将该方法应用于矢跨比为1/12的鞍形索网结构,通过同步测压试验确定风荷载,对其自振特性、风振响应谱特征、振型参与特性、振型间的耦合效应、以及各响应分量的分布规律进行了研究.结果表明:风振响应明显呈现多阶振型参与振动、且低阶振型贡献较大的特点;振型间的耦合效应较明显;脉动风响应明显大于平均风响应,共振响应占主导地位,背景响应所占比例较小.     

三塔斜拉桥抖振的耦合行为研究

三塔斜拉桥较为柔性,振动模态较为密集,对风更为敏感。以京沪高速铁路南京长江大桥为工程背景,基于多模态耦合振动分析理论,对三塔斜拉桥抖振的耦合性能进行了研究。分别采用多模态耦合抖振分析方法和非耦合的单模态SRSS(Square Root of Sum of Squares)方法对结构在设计风速下的抖振响应进行了分析,将两种分析方法所得抖振响应的均方根及功率谱密度函数进行比较。为明确模态间的耦合关系,进一步分析了结构抖振响应随参与分析模态数的变化情况。分析结果表明:三塔斜拉桥抖振响应存在明显的多模态耦合效应,模态间的耦合作用将增大结构的抖振响应。对于大跨度桥梁的精细化分析,抖振的耦合行为不容忽视。     

弯扭耦合层合板模态特性数值模拟与试验研究

通过不同位置采用对称偏轴铺设纤维实现层合板的弯扭耦合,利用模态试验和有限元数值模拟研究弯扭耦合层合板的振动模态特性。采用单点拾振的方法采集层合板振动数据,分析其固有频率和振型参数,研究不同耦合区域层合悬臂板的模态节线位置,并且与有限元模拟结果进行对比。提出采用模态置信因子(MAC)定量描述层合板的弯扭耦合性能的方法,实现了采用模态特性研究层合板的弯扭耦合效应。结果表明,层合板的耦合效应,在低阶模态时中部耦合板显著,而高阶模态时端部耦合板显著。     

大跨度屋盖结构等效静力风荷载中共振分量的确定方法研究

大跨度屋盖结构等效静力风荷载中的共振分量确定,包括对结构共振响应的准确计算以及如何将其等效为静力风荷载这两个主要问题。针对第一个问题,提出Ritz-POD法分析该类结构的风振响应,以解决在结构风振响应分析中存在的多振型参与结构振动且高阶振型对结构风振响应贡献可能较大这一问题;针对第二个问题,将等效静力风荷载的共振分量表示为各Ritz向量的等效惯性力的组合。对一鞍型索网结构的等效静力风荷载分布情况进行了分析;结果表明,能够有效地解决大跨度屋盖结构等效静力风荷载的确定问题。     

曼型干式煤气柜动力特性分析及风振响应主要贡献模态识别

曼型干式煤气柜不同于一般空间结构,其动力特性十分复杂,作为研究其频域内风振响应的基础,首先通过建立精细化有限元模型研究其在不同工况下的动力特性;其次,分别计算背景、共振响应振型能量参与系数,并按降序排列,选取结构风振响应的主要模态;最后,通过选取模态进行频域计算并与传统频域计算方法(完全二次振型叠加,CQC法)对比。结果表明:结构自振频率分布密集;动力特性受活塞位置及内部气压影响较大;背景、共振响应振型能量参与系数能准确反映各阶模态能量对响应总能量的贡献程度;通过振型能量参与系数法确定的主要模态进行频域分析具有计算效率高,计算精度可控的优点。     

玻璃对单层索网动力响应的影响

为保证玻璃与与索网的协同变形,建立包含玻璃面板、索网、爪件、密封胶的有限元模型,真实反映了单层索网幕墙的传力途径;根据有限元模型,研究玻璃面板对单层索网静力性能和动力特性的影响;在此基础上,考虑索网幕墙周围建筑建立数值风洞,建立流固耦合模型,研究索网玻璃幕墙振动特性;以索网在平均风荷载作用下到达的新平衡位置为基准,采用频域方法计算单层索网风致动力响应。对比分析结果表明:风荷载作用下,索网幕墙主要做受迫振动,振动为窄带过程;玻璃面板有效降低了索网的平均位移和脉动响应。     

单层索网体系非线性自振特性研究

刚性结构通常采用“Rayleigh法”的线性化方法近似计算结构的基频，但是单层索网体系属于非线性预应力体系，其自振频率会随着振幅发生变化。通过分析结果表明，当节点质量较大时，用假定惯性荷载的方法计算的误差较大；“Rayleigh法”计算索网频率是基于微幅振动的假定，不能反映其振幅较大时的自振特性。本文采用连续化理论，推导了单层索网体系第一、二阶非线性自振频率近似公式，并将计算结果和瞬态分析结果进行对比，两者吻合较好。非线性自振特性的研究对于单层索网体系在风荷载作用下的响应分析具有十分重要的意义。     

某菱形截面纪念碑风致气弹响应风洞试验研究

对某高100米的菱形截面纪念碑进行刚性模型多点同步扫描测压与摆式气弹模型测振风洞试验,进而在测压数据基础上建立频域风荷载模型并采用随机振动分析方法计算结构风振响应,同时应用随机减量技术（RDT）识别了该气弹模型风致振动时的气动阻尼比。当在频响函数中考虑气动阻尼比后的风振响应计算结果和气弹模型试验值具有很好的一致性。由于实际结构振型与摆式模型线性振型存在差异,用振型修正系数修正气弹模型试验结果可得到实际结构风振响应。分析结果表明,刚性模型测压建立荷载模型,结合气弹模型测振识别气动阻尼,代入实际结构频域响应计算方法能够较精确地评估强风作用下低频小阻尼高耸结构的风致气弹响应。     

柱面网壳结构风致抖振响应研究

基于刚性模型风洞试验,在时域上对一柱面网壳结构进行风振响应计算,并细致分析了网壳结构在风荷载作用下的节点位移、单元应力、阵风响应因子和响应谱。结果表明,对于柱面网壳结构,受斜风作用时的工况为最不利工况,并且迎风侧端部的位移及单元应力最大;多个高阶振型参与振动;共振响应一般不可忽略,但对于起控制作用的响应,背景分量的贡献大于共振分量。     

考虑风振响应特性的多目标等效静力风荷载实用分析方法

针对大跨屋盖结构风效应分析理论框架中不同环节相应分析方法众多且未能较好协调统一的问题,以最后环节的等效静力风荷载求解为目标,提出一种考虑风振响应特性的多目标等效静力风荷载实用分析方法.基于脉动风振背景响应、共振响应及其耦合项组合结果,利用LRC法基本原理推导构造多目标等效方程的基本向量,实现与脉动风振响应完全协调对应,...     

大跨屋盖风致背景响应和共振响应的模态耦合

引入模态应变能的概念,定义了背景响应模态耦合系数和共振响应模态耦合系数,依据该系数可以方便地判别背景响应、共振响应不同模态之间耦合效应的强弱,为识别耦合主导模态(强耦合模态)确定了准则.在此基础上,结构总的背景响应、共振响应可以分别采用各自主导模态的简单SRSS组合再叠加强模态耦合项得到.最后,对北京2008奥运网球中心屋盖结构风致动力响应分析,验证了所提出方法的有效性.     

索膜结构风振气弹效应的风洞实验研究

提出一种可以考虑索膜结构与风荷载动力耦合作用的简化气弹力学模型方法。以该方法为理论基础,进行了多个鞍形索网和鞍形膜结构的缩尺模型风洞气弹实验。研究内容包括:1)通过对形状相同的刚性模型和弹性模型表面的脉动风压与结构响应观测,探讨了附加气动力对结构响应的影响;2)利用随机减量技术对实验数据进行处理,实现了对气动阻尼、附加质量等参数的识别;3)通过对大量试验数据分析,得到了附加质量和气动阻尼随来流风速、风向、结构刚度和结构振动模态的变化规律。实验结果表明:气动阻尼对结构振动的影响较为显著,特别是对结构的低阶模态,气动阻尼比可达到15%左右;附加质量对结构振动的影响较小,其量级仅为结构质量的1倍―2倍左右。该试验过程中未发现结构出现整体气弹失稳现象,但在某些工况下,在结构局部测点出现气动负阻尼。     

大跨屋盖结构等效静风荷载研究

等效静风荷载为大跨屋盖结构设计提供了处理时空变化动力风荷载的有效途径。从两个方案对等效静风荷载研究,一种方案是采用模态等效静风荷载组合法,另一方案采用共振响应分量对应的模态等效静风荷载与本征正交分解法(POD)简化的荷载响应相关法(LRC)计算的背景等效静风荷载组合法,两个方案中通过加权因子考虑模态耦合项的影响。利用风洞试验同步测量单层柱面网壳结构的风压数据,根据完全二次型组合法(CQC)和平方总和开方法(SRSS)计算风致响应,结果表明模态耦合项可以忽略,仅选取前几阶模态即可获得准确响应结果。等效静风荷载计算的响应结果与CQC法计算结果进行校核。等效静风荷载确定两方案对比分析显示,第一种方案是非常有效、实用的确定等效静风荷载的方法,而第二个方案有助于分别对背景和共振等效静风荷载研究。