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。     

高耸结构在脉动风荷载作用下的有限元分析

以一典型的高耸结构烟囱在脉动风荷载作用下引起的结构动力反应(主要针对内力及位移进行分析)与建筑荷载规范中的常规计算方法底部剪力法进行对比分析,通过对比得出底部剪力法与三维有限元分析方法的差异。     

风荷载对桥梁结构的作用效应研究

对风荷载的特性进行了介绍,着重分析了其对桥梁结构的静力及动力作用效应,介绍了进行风荷载模拟所采用的方法,并分别计算了静风荷载及脉动风荷载对桥梁结构的影响,充分验证了风荷载对桥梁结构的动力作用不容忽视。     

拱型波纹钢屋盖结构风振响应的时域分析

拱型波纹钢屋盖结构自重轻,地震作用下的动力问题不是结构设计的控制因素,但是在风荷载作用下结构的动力响应较为显著,在设计中应给予足够重视。首先利用ForIran编程工具,模拟结构的风速时程曲线,然后利用ANSYS有限元软件中的瞬态动力学分析模块对这种结构进行动力时程分析,讨论其在脉动风荷载作用下的动力响应,给出了结构风振系数的建议值,且针对风荷载提出了这种结构在设计中应注意的问题。     

拱型波纹钢屋盖结构风振响应的时域分析

拱型波纹钢屋盖结构自重轻，地震作用下的动力问题不是结构设计的控制因素，但是在风荷载作用下结构的动力响应较为显著，在设计中应给予足够重视。首先利用Fortran编程工具，模拟结构的风速时程曲线，然后利用ANSYS有限元软件中的瞬态动力学分析模块对这种结构进行动力时程分析，讨论其在脉动风荷载作用下的动力响应，给出了结构风振系数的建议值，且针对风荷载提出了这种结构在设计中应注意的问题。     

单层柱面网壳风致动力失效特征及简化分析

为简化网壳结构在风荷载下的弹塑性动力失效分析过程,提出了基于动力失效的等效静力风荷载的简化计算方法,使网壳结构的抗风设计同时满足强度和稳定性的要求.通过对单层柱面网壳结构进行风荷载下的静力、动力失效全过程分析,给出了综合Budiansky-Roth准则和Hsu S C准则的动力失效判别方法,以准确、有效地确定网壳结构的动力失效临界荷载系数.结合概念分析和定量计算,指出了风荷载下网壳结构的动力失效模式包括弹性动力失稳破坏、弹塑性动力失稳破坏和塑性动力强度破坏.对比网壳结构的静力、动力失效临界荷载系数,确定了基于动力失效的等效静力风荷载系数,可为网壳结构抗风设计提供参考.     

索穹顶结构非线性风振响应分析

本文针对索穹顶结构的特点,建立了索穹顶结构动力有限元模型,并对其在脉动风荷载作用下的动力特性进行了时程响应分析.算例分析表明,索穹顶结构在风荷载作用下的动力特性分析是十分必要的,它将为索穹顶结构的设计和施工提供可靠的理论依据.     

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。     

动力备用荷载路径法的力学机理分析

备用荷载路径法是结构连续性倒塌分析中最常用的方法.根据备用荷载路径法的力学机理,建立了中间底柱破坏后固支梁的等效结构动力计算模型,分析了框架结构中常见的柱瞬时失效情况下梁的动力响应,得到了梁的位移时程曲线以及静载作用下梁的挠度曲线.对比分析表明,瞬间移除梁的中柱后梁的挠度可以达到静力作用挠度的2倍.研究表明,结构连续性倒塌分析时瞬时移除构件后梁的动力效应不可忽略,动力条件下的备用荷载路径法为框架结构连续性倒塌等效静力分析中荷载的确定提供了依据.     

某羊角型输电塔的风振响应分析

本文首先简述了应用线性滤波法中的自回归模型(AR模型)模拟出给定风速功率谱的风速时程序列,并验证其与目标谱的一致性,再通过规范公式推导脉动风载与风速之间的关系,从而得到作用在各节点的脉动风荷载时程样本。本文以某羊角形输电塔为原型进行了模拟计算分析,用有限元分析软件ANSYS建立了有限元模型,并用MATLAB生成塔架迎风面各节点上的风荷载时程信号作为动力输入。利用ANSYS对结构进行了模态分析,结果显示结构的基本模态为平面振动,但是同时具有扭转模态和局部振动模态;对此输电塔结构进行了平均风作用下的静力分析,同时,基于ANSYS时程分析方法计算了结构在一般风荷载作用下的风振响应。结果表明,在考虑一般风荷载作用的情况下,输电塔在顶部出现最大的位移和加速度响应,而在底部出现最大的轴力响应,但由于本文输电塔结构杆件的变截面设计,最大的应力出现在约1/3高处的杆件上。相对于平均风的作用,结构响应在一般风荷载下呈现出明显的动力放大效应。     

考虑桨叶旋转效应的海上风力发电高塔系统随机风振响应与动力可靠度分析

研究了考虑桨叶旋转效应的海上风力发电高塔系统随机动力响应与风振可靠度分析.在风场模拟中,桨叶风荷载需要考虑旋转效应的影响.因此,对塔体风荷载,直接采用基于物理机制的随机Fourier谱,而对桨叶风荷载,则采用考虑桨叶旋转机制的随机Fourier谱概念.在此基础上,结合概率密度演化理论,对海上风力发电高塔系统进行了随机动力响应分析以及基于塔顶位移响应的风振动力可靠度分析.结果表明,上述方法能够有效地进行此类结构的随机动力响应及可靠度分析.     

动力敏感性结构风荷载全阶概率分析方法

高层建筑主体结构设计风荷载受来流风速的方向性影响较为明显,传统风荷载估算方法偏于保守。为此,提出一种考虑风向的风荷载全阶概率分析方法,基于可靠度理论将单风向的风荷载概率分布表达成风荷载效应系数极值和来流风速极值的概率分布函数。为了计入结构动力敏感性的影响,基于风洞试验获得的结构气动力数据,通过对结构动力响应分析,将风荷载效应系数极值的概率分布参数表达成来流风速的函数,进而结合各个风向的风荷载概率分布数据,给出了动力敏感性结构具有一定保证率的风荷载。最后,将所提方法的计算结果与蒙特卡洛模拟方法和传统方法的计算结果进行了详细对比。结果表明,本文方法计算结果与蒙特卡洛方法模拟结果吻合较好,传统的最不利荷载法和风向折减方法计算结果过于保守。     

五种被动动力减振器对高层建筑脉动风振反应控制的实用设计方法

本文在建立了五种被动的动力减振器 (TMD, TLCD, LCVA, C TLD, R TLD)对高层建筑结构脉动风振反应控制的统一方程的基础上,导出了被动动力减振器对高层建筑脉动风振反应控制效果的等效结构阻尼比的统一计算公式和被动动力减振器优化参数的设计方法。在此基础上,文中依据我国《建筑结构荷载规范》,对设置被动动力减振器的高层建筑提出了抗风设计的荷载风振系数和脉动增大系数的修正公式,从而使被动动力减振器对高层建筑脉动风振反应控制的设计计算可采用常规的规范方法进行,大大方便了广大结构工程师的应用。     

基于可靠度的风荷载分析

综述了影响统计平均风速的几个因素 ,特别阐述了时距对平均风速的影响。根据Shinozuka的理论和Davenport脉动风速功率谱模拟产生了风速、风压样本 ,并利用蒙特卡洛法分析了忽略脉动风速平方项对脉动风压功率谱密度函数的影响 ,进而分析了其对于风荷载作用下的结构动力响应的影响     

Application of vector form intrinsic finite element on integrated simulation of wind turbine

Large wind turbine system is a periodic time‐varying system with many rigid‐flexible coupling bodies. It is difficult to deal with the singular stiffness matrix produced by the rotation of blades via the traditional finite element method. However, the vector form intrinsic finite element (VFIFE) method can effectively solve the geometric deformation of elastic continuum, the nonlinear or discrete constitutive model, the coupling motion continuum, and rigid body. In this study, a solver program of space beam element is developed by VFIFE method, and three typical examples are chosen to verify its accuracy. And then the integrated simulation of wind turbine system is established, and its dynamic response is analyzed. The natural frequencies of the turbine system, which are obtained by modal parameter identification, can agree well with the results obtained by traditional finite element method. The weighted amplitude wave superposition method and the proper orthogonal decomposition method as well as B‐spline surface interpolation are employed to obtain the wind time series of wind turbine under the normal operation condition. The wind‐induced dynamic response of wind turbine system is calculated by VFIFE method. The numerical results can reflect the periodic influence of gravity on the internal forces of blades and the interaction between blades and the tower.     

大跨屋盖结构风致抖振响应研究

建立基于非定常风荷载的大跨屋盖结构风致动力响应的试验和分析方法。该方法采用多通道测压系统扩大同步测压点的数目,更全面地获得屋盖表面风压的时空特性,为准确计算结构风致响应奠定了基础。在动力分析方法上应用CQC法计算屋盖结构的风振响应,考虑多模态及模态间的耦合影响,编制了结构风致动力效应计算程序SWDP。最后对上海铁路南站工程屋盖结构的抖振响应结果进行了计算和分析。结果表明,采用多通道测压系统可以有效地扩大同步测压点的数目;基于非定常风荷载的CQC方法是计算复杂大跨屋盖结构风振响应的有效方法;背景响应对于总响应的贡献通常是不可忽略的。     

基于完全气弹模型风洞试验输电塔风荷载识别

按照基本缩尺律,设计、制作了输电塔完全气弹模型,并通过大气边界层风洞试验,测试了多种风速、风向条件下输电塔的位移与加速度响应。通过加速度响应功率谱识别出结构的固有频率,并采用Hilbert-Huang变换结合随机减量法识别出包含结构阻尼和气动阻尼的结构总阻尼。利用虚拟激励法建立了由测点位移响应来识别结构顺风向、横风向风荷载的方法。由识别出的风荷载谱曲线,利用非线性最小二乘法拟合得到输电塔顺风向、横风向风荷载经验公式。研究结果表明：风洞试验设计、制作的输电塔气弹模型,测试得到的模型第1阶自振频率与有限元计算结果吻合较好;横风向荷载谱形态与顺风向的相比有较大的区别,其能量分布在一个更宽的频带上,其峰值频率是顺风向的3～4倍。     

受扰高层建筑的风致响应分析

受扰状态下高层建筑的静动力响应明显不同于单体建筑。以一实际姊妹塔楼为研究对象,根据风洞试验中获得的风压分布结果,计算塔楼结构的风致响应。风洞试验及结构响应计算不仅考虑了两栋塔楼同时存在的情况,还考虑一栋塔楼先期建成,另一塔楼尚未建造的情况。细致分析了不同风向下结构的平均及脉动位移响应、静动力干扰因子的特点。结果表明,施扰建筑位于受扰建筑正前方时具有最大的干扰效应,此时受扰塔楼的总位移峰值最小;而当受扰建筑处于施扰建筑下游时,在风向偏斜时,受扰塔楼的总位移峰值最大。     

大跨越输电铁塔随机风场的数值模拟

风荷载是输电铁塔的主要动力荷载之一,设计中必须考虑风荷载的动力效应。文中提供了大跨输电铁塔随机风场数值模拟的谐波合成法,考虑了不同位置上的空间相关性和相位角,同时在模拟中采用了FFT技术,从而简化了计算过程,提高了运算效率。最后,使用该方法模拟生成了一大跨度输电铁塔随机风场的样本,并对该风场样本进行了谱和相关性校验,模拟值与目标值吻合良好,证明了该方法的有效性和可靠性。     

Orthogonal expansion of Gaussian wind velocity field and PDEM-based vibration analysis of wind-excited structures

An effective procedure for simulation of random wind velocity field by the orthogonal expansion method is proposed in this paper. The procedure starts with decomposing the fluctuating wind velocity field into a product of a stochastic process and a random field, which represent the time property and the spatial correlation property of wind velocity fluctuations, respectively. By an innovative orthogonal expansion technology, the stochastic process for wind velocity fluctuations may be represented as a finite sum of deterministic time functions with corresponding uncorrelated random coefficients. Similarly, the random field can be expressed as a combination form with only a few random variables by the Karhunen-Loeve decomposition. This approach actually simulates the wind velocity field with stochastic functions other than methods such as spectral representation and proper orthogonal decomposition. In the second part of the paper, the probability density evolution method (PDEM) is employed to predict the stochastic dynamic response of structures subjected to wind excitations. In the PDEM, a completely uncoupled one-dimensional partial differential equation, the generalized density evolution equation, plays a central role in governing the stochastic responses of structures. The solution of this equation will give rise to instantaneous probability density function of the responses. Finally, the accuracy and effectiveness of the approach in representing the random wind velocity field and PDEM-based dynamic response of wind-excited building are investigated.