点式幕墙单层索网谐波地震响应的几何非线性研究

摘 要：预应力平面单层索网是几何非线性较强的柔性张拉结构,由索中预拉力及几何非线性提供平面外刚度,在静力平衡位置预应力刚度较小,荷载作用下结构发生较大变形,因而产生了较大的几何刚度。针对几何非线性对此结构受力特性影响的重要性,对结构几何非线性作了定量分析,提出了几何非线性因子的概念;采用几何非线性时程分析方法,探讨了影响不同几何非线性的单层索网的谐波地震响应。分析结果表明,索网长宽比及索预应力对几何非线性影响较大;单层索网动力响应存在峰值共振偏移现象;并指出峰值共振频率不同于结构的线性自振频率和非线性自振频率。     

碳纤维材料圆形双层正交悬索结构的非线性自振

建立了碳纤维材料圆形双层正交悬索结构的非线性自振控制方程,采用Galerkin原理及L-P法求得碳纤维材料圆形双层正交悬索结构非线性自振的近似解及双层索网层间接触力的近似解.在把碳纤维材料圆形双层正交悬索结构与钢丝材料圆形双层正交悬索结构比较的基础上,讨论分析了温度、振幅、索网垂度等因素对双层索网非线性自振及索网层间接触力的影响.得到了温度升高将使双层索网非线性自振频率降低,振幅和索网垂度增大会使双层索网非线性自振频率增大的结论.     

单层平面索网结构非线性频率简化计算方法研究

单层平面索网玻璃幕墙结构是广泛应用于大型公共建筑中的一种新型结构形式,由于其挠度较大,结构具有较高的几何非线性,其动力特点不同于传统的线性结构。采用连续化薄膜理论建立了单索幕墙的非线性振动方程,并采用谐波平衡法求解了结构非线性频率的解析表达式,为校核解析公式的正确性,将其计算结果同精确的有限元非线性时程方法的计算结果进行了比较,吻合很好,该解析公式具有相当高的精度。同时指出结构位移为3/2结构振幅位置处的刚度即为单索幕墙结构的等效线性刚度,采用该等效线性刚度即可得到上述非线性频率的解析表达式。此外得到的结构非线性振动方程和非线性频率为结构在动力荷载下响应的求解提供了基础。     

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。     

圆形平面正交双层索网的非线性自振特性

在考虑温度变化的基础上,研究了圆形平面正交线性强化材料双层索网的非线性自振,采用Galerkin原理及L-P法求得了双层索网非线性自振的近似解及双层索网层间接触力的近似解.讨论分析了线性强化、温度、振幅等因素对双层索网非线性自振及双层索网层间接触力的影响,为双层索网盖的抗震设计提供了理论参考依据.     

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。     

单层平面索网幕墙结构的风振响应特性分析

建筑幕墙单层平面索网结构属于风敏感结构,目前对该类结构风振响应的相关研究很少,有必要深入开展其抗风性能的研究。以索网在平均风荷载作用下到达的新平衡位置为基准,采用频域法对其风振响应特性进行研究,主要分析了组合振型的选择、模态间的耦合效应等问题对索网结构风振响应的影响。分析结果表明,对单层索网结构进行风振响应分析宜考虑模态间的耦合效应;索网的第一阶模态在所有模态中占较大比重;对索网结构起主要贡献的振型集中分布在低阶模态区域内;采用部分低阶振型组合计算索网的响应与时域结果吻合较好,能满足工程精度要求。     

“小震”作用下索网结构可靠指标β的计算方法

将Ｗｉｌｓｏｎ～θ法与ＪＣ方法相结合，建立了“小震”作用下索网结构各单元承载能力可靠指标与索系正常使用可靠指标的计算方法，并考虑了索网结构的几何非线性特性以及静载的影响。利用该方法可求出索网结构在“小震”过程中任意时刻单元承载能力可靠指标与索系正常使用可靠指标，并可推广用于分析“大震”作用下考虑索系材料非线性时索网结构的可靠度。     

基于最小能量原理的矩形平面预应力索网结构大变形自由振动研究

以中关村文化商厦30m×70m平面索网为工程背景,考虑矩形索网结构大变形产生的几何非线性的影响,用最小势能原理推导了非线性振动的微分方程并给出了解法;研究了线性振动频率、大振幅振动频率和大变形后小振幅的振动频率计算方法;结合实例对3个振动频率进行了计算分析。给出的非线性振动方程和解法简单准确,为大跨度平面索网结构抗风抗震设计提供参考。     

某大型博物馆结构风致响应分析

基于刚性模型风洞试验,对一个具有索网幕墙的新型杂交结构--某大型博物馆结构进行风致响应计算.在计算平均风响应时考虑结构几何非线性的影响;分析脉动风响应时将结构近似作为线性结构处理,采用平稳激励下随机振动的模态叠加法（CQC法）进行计算.计算结果表明,当关键点出现极大值响应时,平均风响应对峰值响应的贡献较大,而且动力响应中共振响应一般大于背景响应.此外,对于关键点竖向位移及结构支座竖向反力,主要是壳体悬挑部分的风荷载起作用;而索网面位移主要由索网面上的风荷载控制,悬挑部分的风压对其影响很小.     

点支式幕墙鱼腹式索桁架支承体系动力特性

考虑温度变化及几何非线性影响,采用连续化理论导出了点支式玻璃幕墙预应力鱼腹式索桁架支承体系非线性振动方程。通过Galerkin方法,将偏微分程转化为常微分方程,并采用L-P法及KBM法对常微分方程进行了求解。结合工程实例讨论分析了温度变化、振幅、外激励等因素对点支式玻璃幕墙预应力鱼腹式索桁架支承体系非线性振动的影响。算例表明,点支式玻璃幕墙预应力鱼腹式索桁架支承体系固有频率随着温度的升高而减小,其非线性振动呈现“硬弹簧”特性。     

基于非线性振动的斜拉索参数识别无模型方法

基于非线性振动理论提出了斜拉索参数识别的无模型方法.该方法以由奇异摄动法所获得的斜拉索自振频率解析表达式为依据,根据斜拉索频率测试结果和计算值之差构建目标函数,将斜拉索索力、索长等关键参数作为待识别参数,采用最优化方法实现参数识别.通过试验验证了方法的有效性并和有模型方法的识别结果进行了对比.研究表明,所提出的方法可以显著提高斜拉索动力响应分析结果的准确性;无模型方法和有模型方法精度相当.而无模型方法在求解效率、方法的易用性等方面更具优越性,更便于实际工程应用.     

索梁结构非线性振动有限元分析

为了更全面、精确地进行包括斜拉索参数振动在内的索梁结构非线性振动分析,该文采用索单元和去除自重的非线性动力计算方法,实现了能考虑参数振动的拉索非线性振动有限元方法;采用扩大Rayleigh阻尼矩阵,可以同时考虑主梁的阻尼和相对较小的拉索阻尼;将这些计算方法植入自编程序NL_Beam3D中以考虑斜拉索与主梁之间的相互作用。以1993年Fujino进行的索梁结构试验为算例,分析表明该方法能较正确地模拟索梁结构中副不稳定区域和主不稳定区域的拉索参数振动。     

双向荷载下单层平面索网结构静力解析方法:控制方程组与对数解

单层平面索网玻璃幕墙结构主要承受面内均布恒载和法向风荷载。本系列研究将恒载和风载均等效为均布静载,以形成考虑幕墙恒载影响的单层平面索网结构的解析方法。该文基于连续化理论和在两个方向综合应用两种不同单索理论的思路,首次建立了考虑面内竖向恒载影响的单层平面索网结构静力平衡方程和适用于该类结构的变形协调方程;并阐述了竖向恒载影响挠曲变形的规律,建立系统科学的基本解析理论。根据单根横索和竖索的变形特性构造了含待定系数的挠曲面假定函数,并应用迦辽金法确定这些待定系数,给出了轮流迭代修正的求解方法。算例证明:该文解析方法得到的结果与有限元法吻合较好,最大挠度及位置的精度尤为突出,具有较强的工程应用价值。     

考虑索间作用的斜拉桥耦合振动研究

为了研究几何非线性条件下斜拉桥索梁耦合振动与索间作用问题,以两条斜拉索与简支梁组合体系为简化模型,利用D’Alembert原理建立考虑初始垂度的索梁体系非线性偏微分方程,设定索的前两阶复合振动模态与梁的基本模态,运用Galerkin方法将其离散为二阶常微分方程,并使用四阶—五阶Runge-Kutta方法对索与梁的振动响应进行了数值分析。结果表明:在双索单梁组合结构中,特定频率条件下一阶模态与主梁强烈耦合,二阶模态与主梁小程度耦合;与单梁单索结构相比,多索导致主梁频率增大,索间作用使得索振幅增大、拍频降低,面内一阶模态对索梁变化更敏感;当索梁频率不变时,索间作用对耦合振动产生的索大幅振动有明显抑制作用,且索梁结构对主梁初位移变化更敏感。     

风雨激振中拉索与水线耦合运动规律研究

在建立了水线运动与拉索振动相互耦合的三维连续弹性拉索风雨激振理论模型的基础上,通过振型分解,得到了以拉索各阶振型表示的拉索运动微分方程。利用该理论模型对实际拉索发生风雨激振时拉索和水线的运动规律进行了分析,结论表明:拉索风雨激振具有"限速"、"限幅"的特征;拉索的振动包含多阶拉索固有频率,拉索模态间相互耦合,并不断转化;水线沿拉索表面周向的运动具有一定的周期性,运动时程曲线并非呈正弦规律,其运动频率与拉索振动频率基本一致;水线沿拉索轴向分布不是一条直线,处于平均竖向气动力突降区的水线长度对拉索的振幅有较大的影响。     

索端激励对斜拉索风雨致振动性能的影响

实际斜拉索的振动可能是风-雨致振动和参数振动的组合, 索端激励对斜拉索风-雨致振动性能有一定影响。将索端激励转化为作用在斜拉索上的弹性力和惯性力, 建立了斜拉索风-雨致振动和参数振动的组合分析模型, 在讨论了参数振动模型和斜拉索风-雨致振动的特性后, 探讨了索端激励对风-雨致振动振幅、水路运动以及达到最大振幅所需时间的影响。结果表明:在一定的频率范围内, 索端激励的存在会改变斜拉索风-雨致振动幅值和水路运动幅值随时间变化的特性, 并能促进斜拉索风-雨致振动的发生。     

索力对斜拉索动力特性的影响

针对大跨度斜拉桥拉索大幅振动控制问题,考虑由于索的初始垂度、大位移而引起的几何非线性因素的影响,同时考虑拉索与桥面连接条件和边界条件的影响,建立了拉索在参、强联合激励作用下的面内非线性振动方程。运用多尺度摄动方法,对其进行求解,以目前最长拉索为例,研究拉索初始索力的变化对其大幅振动的影响。研究结果表明:增加斜拉索的初始张拉力,将使索表现出的软弹簧特性变为硬弹簧特性,同时,拉索的振幅最大值对应的激励频率与拉索固有频率比值将由小于2改变为大于2。