基于风振特性的多目标等效静风荷载分析方法

提出根据风振响应特征,构造多目标等效静风荷载的荷载基本向量,当脉动风效应中以背景响应为主、且存在显著主导本征模态时,选择本征模态作为荷载基本向量;当以共振响应为主、且存在显著主导振型时,将主导振型惯性力作为荷载基本向量;当风效应中无显著主导本征模态或者无显著主导振型时,将屋面上表面各点法向分别作用单位力作为荷载基本向量。根据最小二乘法得到这些基本向量的组合系数,保证在该等效静风荷载下,结构所有关键位置响应与实际动力响应极值间的误差最小。并将该方法应用于平面桁架和单层球面网壳,验证了该文所述方法的计算精度。     

行业标准《屋盖结构风荷载标准》的主要内容

全面介绍了新编行业规范《屋盖结构风荷载标准》的主要内容。针对多种屋盖主体结构的风振响应计算分析和抗风设计,采用平均风压与脉动风振等效静力风压之和表达主体结构的风压标准值,提出了脉动风荷载作用下结构风振响应极值的单目标、多目标等效静力荷载表达方式;采用多目标等效静力风荷载分析方法,给出了平面桁架、张弦梁、网架、球壳、柱壳、鞍形屋盖和悬挑屋盖的风振等效风压系数图表及体型系数图表。采用围护结构风压系数极值表达围护结构的风压标准值,规定了长/短时距的风压极值估计方法,给出了低矮房屋单坡/双坡类屋盖、四坡屋盖、中高层房屋屋盖、开敞屋盖、悬挑罩蓬的风压系数极值图表。《屋盖结构风荷载标准》引入屋盖主体结构风振等效风压系数和围护结构风压系数极值的概念,完善和发展了我国屋盖结构抗风设计的相关规定。     

基于时变内力加权指标的大型冷却塔等效静风荷载

等效静风荷载是对动态风荷载和结构惯性力的拟静力化等价荷载模式,涵盖结构预期动力响应包络值,属结构设计中的荷载效应简化分析环节。在大跨空间结构抗风设计中,等效准则选取与荷载模式识别是将复杂动力问题转化为拟静力问题的关键步骤。目前等效静风荷载的评价准则众多,不同准则下的等效模式差异明显,缺少统一的共识性标准。为了体现不同风致内力响应对结构安全的综合影响,将评价准则由单一的荷载或内力层面拓展到多种内力加权组合层面。对于钢筋混凝土空间结构,该准则以物理概念清晰的配筋率作为表现形式,并融入结构动力响应时变特征。以某大型冷却塔为例,在脉动风压加载条件下进行时域分析得到风致结构动力响应时程,根据时变内力加权组合计算结构动态配筋率;从单一内力和内力加权两个层面评价现行规范等效静风荷载的抗风安全冗余度;以配筋包络线为等效目标,反演获得了兼顾多种内力加权组合的等效静风荷载分布模式,阐明了相关算法和等效策略的合理性和工程适用性。     

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。     

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。     

双肢薄壁墩连续刚构桥平衡悬臂施工阶段的三维风效应研究

该文首先提出了双肢薄臂墩连续刚构桥在平衡悬臂施工阶段的结构模型。为了充分考虑作用在主梁和桥墩上的风荷载,提出了三维效应的风荷载模型,包括垂直于桥梁纵平面的平均风、自然脉动风和结构尾流漩涡脱落共同引起的风荷载。然后基于随机振动理论和频域分析方法,利用影响函数计算平均风荷载静风响应和脉动风荷载的背景响应。由结构的主要振型的振型系数,利用主要振型计算每阶振型的脉动风荷载的共振响应。该文给出了具体的计算公式。最后,计算了贵阳小关桥3号墩墩底的内力,计算结果显示,不同的荷载分量提供不同的作用,表明充分考虑风荷载的三维效应是非常有必要的。     

大跨屋盖的包络等效静风荷载

根据大跨屋盖不同等效目标的静风荷载分析,提出包络等效静风荷载的概念和估算方法.比较了不同等效目标的等效静风荷载产生的屋盖节点竖向位移峰值响应以及杆件内力峰值响应,说明包络等效静风荷载产生的各种响应与实际可能出现的最不利情况比较接近,因而能较全面地反映大跨屋盖结构风振响应的特征.而且还根据柱壳屋盖风洞试验结果分析了杆件内力响应背景分量和共振分量的模态分布,讨论了不同结构刚度对杆件内力共振响应及背景响应的影响.     

大跨屋盖时域多目标等效静力风荷载计算方法

根据大跨屋盖结构多振型参与结构风振,等效静力风荷载存在多目标的特点,提出时域多目标等效静力风荷载的分析方法。该方法的基本思路是:利用时域分析得到的位移响应时程,计算结构的广义恢复力时程,对广义恢复力进行POD分解,得到广义恢复力的本征模态,以此构造多目标等效静力风荷载的基本向量;引入约束方程组和权值因子,用加权约束最小二乘法得到基本向量的最优组合系数,从而得到多目标等效静力风荷载。该方法能够再现风振响应特点,在保证关键目标等效精度的同时,得到较合理的多目标等效静力风荷载分布。最后,将该方法应用于某大跨屋盖,验证了该文方法的有效性和精度。     

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。     

基于位移测量的输电塔等效静风荷载研究

以输电塔气弹模型为试验对象,基于非接触式精密位移测量系统,在风洞中测量了不同风向、风速下输电塔的位移响应。采用荷载响应相关法,建立了基于输电塔气弹模型位移响应的等效静风荷载试验分析方法。结果表明:输电塔在两轴向的风振响应均以一阶模态为主,且顺风向的脉动响应要大于横风向;计算得到的输电塔顺风向等效荷载要远大于横风向,且顺风向等效荷载中平均量占优,背景次之,共振不显著;对比分析显示,该文所建立的输电塔等效静风荷载试验分析方法合理、有效。     

大型空间桁架结构多目标等效静力风荷载

空间桁架体系不仅具有典型大跨屋盖结构风致响应多模态参与性及特征响应多样性等特点,其在脉动风荷载激励下结构不同部位的风致响应还存在有大量的正负号交替现象。针对以上特性,在分析了单目标等效风荷载不足和局限性的基础上,提出了一种新的多目标等效风荷载计算方法。在该方法中,不仅采用本征正交分解 (POD)法基本原理有效解决了多目标脉动响应极值间的正负号组合问题,寻找出一种在一定程度上最为可能的目标响应分布形式;同时以保证结构关键位置的风致响应为目标,提出了多目标等效风荷载的精确求解方式。最后以杭州新火车东站站台屋盖结构为工程实例,证明了采用该方法得到的多目标等效风荷载不仅能够精确保证关键部位响应与实际结果高度一致,其他非关键部位结果也有一定的精确性。     

能量等效大跨屋盖结构三分量多目标等效静力风荷载EI北大核心CSCD

针对大跨屋盖结构风效应静力等效分析中需要考虑多响应目标问题,与脉动风振响应背景分量、共振分量及其二者耦合项分量(简称三分量)相对应,提出一种大跨屋盖结构三分量多目标等效静力风荷载分层分析法。首先,基于能量等效,考虑结构所有节点响应,分别推导了三分量多目标等效静力风荷载表达式;其次,根据三分量响应能量对脉动风振总响应能量的贡献程度,定义三分量能量贡献系数,据此系数实现大跨屋盖结构三分量响应层次划分,并针对不同层次结构,制定了相应的总等效静力风荷载组合求解方法;最后,以北京奥林匹克公园网球中心赛场屋盖结构为例,对其三分量响应层次划分,根据划分结果,组合得到结构总等效静力风荷载。同时对总等效静力风荷载作用下的结构静力响应与频域分析所得目标响应进行对比,发现二者吻合较好,能够满足实际工程要求,说明所提方法有效且具有工程应用价值。     

浓缩池结构三维有限元固有频率计算与地震响应分析

多年来,浓缩池结构已被电力及冶金系统广泛采用,在火电厂用来排除煤灰,在冶金采矿场用来选矿。但对该结构的静力计算,多为简化成平面结构计算,其动力计算的文章很少见到。本文按三维有限元法采用SAP5动力程序,对该空间结构计算了前七阶固有频率与振型。又用振型迭加法计算了七度地震力作用下结构的动态应力响应。计算中考虑了液体质量对结构自振频率及动力响应的影响。并应用G.W.Housner提出的能量等效原理,计算了液体等效质量;又结合有限元方法的特点,讨论了地震荷载输入问题。本文的结果,为浓缩池结构的合理设计提供了重要依据,并已用于工程实际。     

粘弹性阻尼器对网架结构振动疲劳寿命的影响

为研究粘弹性阻尼器对平面网架结构疲劳性能的影响,先对粘弹性阻尼器等效刚度进行推导,然后,基于随机振动载荷,根据载荷功率谱密度函数（PSD）和结构的频率响应以及结构的模态,对平面网架结构添加粘弹性阻尼器和不添加粘弹性阻尼器,以及添加不同阻尼系数的粘弹性阻尼器时的疲劳寿命进行计算和比较。结果表明,阻尼器可以有效的减少随机振动荷载对网架结构的疲劳破坏。且随着阻尼系数的增大,网架结构的最小疲劳寿命呈现先增大,后减小的趋势。因此通过合理选择粘弹性阻尼器的阻尼系数大小可以优化结构的抗疲劳性能。     

基于补偿方法的大跨屋盖脉动风等效静力风荷载

在刚性建筑模型风洞测压试验的基础上,首先求出脉动风致等效目标响应.然后根据惯性力组合方法求出大跨屋盏的脉动风等效静力风荷载,计算结果表明当模态阶数较少时误差较大.据此,基于等效目标响应和计算响应二者之间的响应差,提出了一种新的补偿方法去计算大跨屋盖脉动风等效静力风荷载,以此来克服模态阶效较少时所带来的较大误差;最后并应用于一实际结构中.计算结果表明补偿方法具有物理含义明确、计算方法简单和计算精度较高的优点,可以满足工程设计的需求.     

大跨屋盖结构共振响应多目标等效静力风荷载

针对大跨屋盖结构等效静力风荷载计算需要兼顾多个响应控制目标问题,基于能量等效,提出了大跨屋盖结构风致共振响应多目标等效静力风荷载分析方法。根据结构风致共振响应特点,从保证结构整体安全的角度,确定以结构风振过程中各节点吸收和转化的风动能达到极值时刻为等效目标,据此最不利情况,推导了共振响应多目标等效静力风荷载表达式。最后,将该方法应用于北京奥运网球中心屋盖结构共振响应等效静力风荷载计算,结果表明:该等效静力风荷载下的结构静力响应与频域分析得到的结构动力响应极值吻合较好,验证了所提方法的有效性和工程实用性。     

大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载

为解决大跨屋盖结构等效静力风荷载计算中存在的多个响应目标等效问题,对多目标等效静力风荷载分析方法进行了研究。根据结构风振响应特性,基于LRC法基本原理推导了构造大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载的基本分量,包括背景分量、共振分量及其二者的耦合项分量,该基本分量能够实现与风振响应各分量的完全对应。在此基础上,建立了多目标等效静力风荷载的求解方程,同时为限制奇异荷载的出现,引入了边界条件方程,据此求解得到了能够满足大跨屋盖结构多个响应目标的等效静力风荷载。为提高精度,还根据目标响应与静力响应间误差对求得的多目标等效静力风荷载进行修正。最后,采用所提方法对国家体育场大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载分析计算表明,所得等效静力风荷载作用下结构静力响应与多目标响应吻合较好,验证了所提方法的有效性。     

大跨干煤棚网壳风振时程分析和等效静风荷载研究

以某热电厂大跨干煤棚网壳工程项目为背景,对开敞干煤棚网壳结构进行了风洞测压试验。基于风洞测压试验所得的脉动风荷载时程数据,开展了大跨干煤棚网壳风振时程分析。分析了不同风向角下是否堆煤对该开敞干煤棚网壳结构风振响应的影响。研究了基于时程计算结果的大跨屋盖结构等效静风荷载计算方法,分析比较了几种常用的风振系数计算公式及其与峰值因子的关系。研究结果表明：考虑Weibull分布峰值因子的局部轴力风振系数能够用于确定合理有效的等效静力风荷载,实现大跨干煤棚网壳结构风振响应的静力等效,且便于工程应用。     

大跨度斜拉立体桁架的水平地震反应分析

大跨度斜拉立体桁架是一种频谱密集周期较长的杂交结构体系,以该结构的两塔三跨和一塔两跨两种体系为对象,研究了通过控制振型参与质量贡献率来确定采用振型分解反应谱法分析时参与组合所需的振型数,探讨了水平地震反应分布规律,并进行了时程分析。研究表明:地震反应振型组合需取前20阶振型具有足够的精度,桁架最大竖向位移和塔顶水平位移及桁架和索的内力反应不大,而塔根的内力反应较大,设计时应给予足够重视。对一塔两跨体系,时程分析结果比振型分解反应谱法分析结果普遍偏大,该结构体系在设计时应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。     

基于动响应约束的结构材料优化设计

针对于随机荷载作用下动响应为约束的结构材料优化问题,基于结构拓扑优化思想,提出了一种变动响应约束的结构材料优化方法。采用分式有理式和幂函数识别结构材料单元特性参数,以微观单元拓扑变量倒数为设计变量,导出了频率及振型对微观单元设计变量的一阶导数,进而得到了随机荷载作用下结构均方响应的一阶近似展开式。结合变约束限的思想,建立了以结构质量作为目标函数,均方响应作为约束条件的连续体微结构拓扑优化近似模型,并采用对偶方法进行求解。对典型结构进行了考虑单个和多个动响应约束的结构材料优化设计,优化所得结果验证了该方法的有效性和可行性。