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。     

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。     

多风向多目标等效静风荷载分析方法及应用

针对大跨空间结构中多振型参与风振响应特点和工程应用需要,提出针对多个风向的多目标等效静风荷载分析方法。根据所有风向的平均风荷载（或者风振响应极值）分布之间的相似性指标,将所有风向分为若干个风向区,计算各风向区的风振包络响应;在每个风向区内,选择平均风荷载分布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,从而得到针对多个风向、多个等效目标的等效静风荷载。将该方法用于某大型科技新馆,分析结果表明：根据各风向下屋面平均风压系数分布间的相关系数,36个风向角仅需分成3个风向区,且各风向区等效静风荷载作用下的静力响应与实际动力响应包络响应吻合较好,验证了所提方法的计算精度和工程应用的便利性。     

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。     

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。     

大跨度拱形结构等效静风荷载研究（英文）

根据计算流体动力学方法(CFD)以及有限元动力时程分析法数值模拟脉动风特性,获取脉动风速时程,并以此作为数值风洞模拟的入口边界条件.运用FLUENT对大跨度拱形结构进行脉动风作用下的结构非稳态分析,得到作用于结构的时程风压荷载.运用ANSYS进行结构的风振响应计算,分析得到基于结构风振响应时程的等效静风荷载.在此基础上提出多目标等效静风荷载加权组合系数的定义,计算获得大跨度拱形结构的多目标等效静风荷载,并验证其计算精度.研究表明,在文中方法所得等效静风荷载作用下,结构静力响应计算结果与风振动力时程响应极值吻合.     

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。     

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。     

柱壳屋盖的等效静风荷载

根据弹性恢复力的模态展开式和计算响应的拟静力公式导出产生屋盖结构最大峰值响应的等效静风荷载。给出两种计算等效静风荷载的途径,一种表示为模态等效静风荷载的加权组合,另一种表示为背景分量与共振分量的加权组合。利用同步多点压力扫描技术对一个柱壳屋盖结构进行了风洞试验。采用完全二次型组合法(CQC法)和平方总和开方法(SRSS法)计算了不同风向角下竖向位移的峰值响应,说明了模态耦合的影响。将两种途径计算的柱壳屋盖等效静风荷载分布与平均风荷载分布作了比较,分析了相应的峰值响应与平均响应。分析结果表明:许多结点的等效静风荷载远大于平均风荷载,而且脉动风效应和共振效应也应引起重视。     

大跨度桥梁多目标等效静力风荷载基向量法

由于结构抖振响应计算复杂,目前主流风荷载设计规范均采用等效静力风荷载做等代替换。文中以桥梁结构为研究对象,对抖振响应的多目标等效静力风荷载计算方法进行研究。首先,采用经典的荷载-响应相关（LRC）法获得大跨度桥梁主梁各节点处的等效静力风荷载向量,并组成荷载矩阵;其次,采用本征正交分解（POD）技术获得的本征模态矩阵;然后,以主梁的抖振响应极值为等效目标,选取的前i阶本征模态作为构建等效静力风荷载的基向量,获得最小二乘意义的多目标等效静力风荷载;最后,以东海大桥为例对该方法的有效性进行验证。结果表明,由于同时包含了脉动风荷载和抖振响应的主要信息,同时是依据重要程度排序,按照文中方法获得的多目标等效静力风荷载在抖振响应计算精度和荷载分布的合理性方面均表现良好。     

大跨度铁路站房屋盖结构风洞试验与等效静风荷载研究

以哈尔滨西客站站房屋盖结构为研究对象,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,结合本征正交分解技术对风压场进行重构及预测,解决了风压测点与结构有限元模型节点的不匹配问题。分别建立整体结构和屋盖结构有限元模型,利用时程分析方法考察了下部结构对风致响应的影响,研究表明下部结构会导致屋盖结构的刚度弱化,建模中忽略下部结构可能导致对屋盖结构位移和内力响应的低估。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风荷载分布形式实现所有响应均与动力极值响应等效。     

大跨度屋盖结构等效静风荷载研究

有关等效静风荷载理论的研究，以往多针对高层、高耸结构展开。大跨度屋盖结构与高层、高耸结构形式相比，最大的不同在于要考虑多阶振型的影响。由此带来的问题有：对于结构的不同构件和不同响应类型，其等效原则不是惟一的；结构振动模式与荷载分布形态密切相关；如何考虑多阶振动模态的组合。针对以上3个问题，分别探讨了相应的解决思路，并初步给出了关于结构等效背景分量和等效共振分量的确定方法。研究表明：该方法在保证控制点等效的同时，还能使结构其他部位的等效响应更接近于实际可能出现的最不利响应，因而能够更加准确地反映出大跨度屋盖结构风振响应的本质特征。     

Wind‐induced inter‐story drift analysis and equivalent static wind load for multiple targets of tall buildings

In super high‐rise buildings with varying story heights, the wind‐induced inter‐story drifts might violate the specified limit. However, these effects have seldom been concerned in wind‐induced response analysis. The theory and application of equivalent static wind load (ESWL) for wind‐induced inter‐story drifts of super high‐rise buildings were studied in this paper. A spectral decomposition method suitable for multi‐point excitation problems was firstly proposed. The formula of ESWL targeting for largest inter‐story drift was derived. For more reasonable structural design, the ESWL for multiple targets including displacement atop of building and inter‐story drifts at all story levels is put forward, in which the dominant modal inertial forces are adopted as the based load vectors. The presented methods were finally verified by its application for the wind‐induced response analysis for a tallest super tall building in Guangzhou. The researched results showed that the proposed spectral decomposition method not only has the same precision as the complete quadratic combination method but also possesses higher computation efficiency. The ESWL for multiple targets produces the same static responses for all the specified wind‐induced response, so it is much more rational for wind‐resistant structural design. Meanwhile, it is more reasonable to select the wind‐induced responses in the same direction simultaneously as the targeted values for obtaining the required ESWLs; however, the ESWL targeting for the wind‐induced responses in all degrees of freedom would generate more queer and unrealistic ESWLs distribution. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

大跨屋盖基于位移响应协方差等效静力风荷载计算方法

目前,频域内有多种等效静力风荷载求解方法,但每种方法都有其局限性;时域内也提出了风致响应的计算方法,却没有完整地提出求解等效静力风荷载的方法。本文基于位移响应协方差矩阵,提出了一种计算大跨屋盖结构等效静力风荷载的新方法。本方法的关键是获得位移响应的协方差矩阵,对于时域法,由于时程分析能得到位移响应时程,故可根据时程序列直接计算得到;对于频域法,也可由各阶模态响应推导得到,因而本方法既适用于时域法,也适用于频域法。最后,以某大跨屋盖结构作为工程实例,计算了等效静力风荷载,并将其与CQC方法计算结果进行了比较,验证了方法的有效性。     

Universal wind load distribution simultaneously reproducing largest load effects in all subject members on large-span cantilevered roof

This paper discusses the equivalent static wind load that reproduces the largest load effects in structural member (hereafter referred to as the universal ESWL). In this study, the universal ESWL is shown by a combination of eigenmodes calculated by POD analysis of fluctuating wind pressure. Applying singular value decomposition to a matrix of eigenmodes by the influence function optimizes the universal ESWL combination. This method is applied to large cantilevered roof models. The largest load effects for bending moment (hereafter referred to as BM) and shear force (hereafter referred to as SF) are determined to estimate the universal ESWL. The largest load effects reproduced by the universal ESWL show good agreement with those directly estimated by time-domain response analyses.