大跨索穹顶屋盖结构风洞试验及敏感风速研究

大跨索穹顶屋盖结构频率密集,其风振动力响应复杂,不同风速下脉动风响应对大跨索屋盖结构的风敏感性影响一直是当前风工程研究的热议难题。针对大跨索穹顶屋盖结构,设计制作了缩尺比为1∶250的试验模型,在B类地貌下开展了36组风洞测压试验,研究了全风向角下大跨索穹顶屋盖结构的风压峰值分布规律和典型不利风向角,最后基于风洞试验数据,探究了索穹顶屋盖在不同风速等级下的风振敏感性。结果表明：索穹顶屋盖主要以承载负风压为主;屋面以承载Z向负风振位移响应为主,呈现中心区域向周边下降的变化规律;屋面Z向风振位移响应随风速增大而递增,平均风响应随风速增大呈线性递增;部分风速等级下索穹顶屋盖的脉动风位移响应和总极值位移响应敏感,且风振系数较大;结构屋面响应最大点处风压系数时程傅里叶变换幅值在结构前10阶部分频段为峰值,表明索穹顶屋盖结构存在敏感风速范围,其脉动风响应显著,且与结构模态自振特性密切相关,抗风设计时应找出敏感风速范围,并对响应显著区域加强抗风设计。     

劲性支撑穹顶结构风振响应分析

劲性支撑穹顶结构是一种刚柔结合的新型预应力空间结构,具有跨度大、自重轻等特点.利用线性滤波器法中的AR法,结合结构风压谱随高度变化规律,编制了脉动风速时程模拟程序.采用时域分析方法,研究了劲性支撑穹顶结构在水平风和竖向风单独作用及共同作用下的响应,并分析了初始预应力、矢高、跨度及环向等分数对结构风振响应的影响.研究表明,水平风与竖向风共同作用下结构节点位移均值位于两者单独作用于结构时的位移均值之间,预应力对结构风振响应的影响显著,节点位移响应均值随矢高或跨度增加而变大,环向等分数减小会导致结构的竖向位移响应均值及幅值增大.将风振系数进行统计分析,得到了便于工程设计人员应用的风振系数.     

刚性网格索穹顶结构组合形式及其协同工作非线性力学性能研究

提出了一种刚柔相济的组合空间结构-刚性网格索穹顶结构,该结构不仅充分发挥了索穹顶的力学性能,而且易于利用刚性网格铺设屋面板材,既具有结构优势又便于屋面安装.给出了肋环型、葵花型两种典型索穹顶与以四边形和三角形为基本构成单元刚性网格的3种组合形式.对刚性网格与索穹顶协同工作机理进行分析,将结构进行有限元离散和合理简化,建立了刚性网格索穹顶结构协同工作非线性静力分析的计算模型.以组合Ⅱ型为例,探讨了结构在满跨均布荷载和非对称荷载作用下内力和位移变化规律,以及初始预应力水平对结构力学性能的影响.计算结果表明：刚性网格的协同工作提高了结构整体刚度和承载力,减小了索穹顶对非对称荷载的敏感性;初始预应力水平对索穹顶内力影响显著,但对结构整体刚度影响非常不明显.     

刚性网格索穹顶结构组合形式及其协同工作非线性力学性能研究

提出了一种刚柔相济的组合空间结构-刚性网格索穹顶结构,该结构不仅充分发挥了索穹顶的力学性能,而且易于利用刚性网格铺设屋面板材,既具有结构优势又便于屋面安装。给出了肋环型、葵花型两种典型索穹顶与以四边形和三角形为基本构成单元刚性网格的3种组合形式。对刚性网格与索穹顶协同工作机理进行分析,将结构进行有限元离散和合理简化,建立了刚性网格索穹顶结构协同工作非线性静力分析的计算模型。以组合Ⅰ型为例,探讨了结构在满跨均布荷载和非对称荷载作用下内力和位移变化规律,以及初始预应力水平对结构力学性能的影响。计算结果表明:刚性网格的协同工作提高了结构整体刚度和承载力,减小了索穹顶对非对称荷载的敏感性;初始预应力水平对索穹顶内力影响显著,但对结构整体刚度影响非常不明显。     

双随机下刚性索穹顶结构的可靠性灵敏度分析

针对目前索穹顶结构研究中没有考虑荷载的随机性和结构本身的随机性的问题,采用基于正交设计响应面的Monte Carlo法对刚性索穹顶结构进行了双随机下的可靠性灵敏度分析.以一个跨度为60m,承受轴对称均布荷载作用的肋环型刚性索穹顶结构为例进行分析,得到了结构功能函数的响应面,进而采用Monte Carlo方法得到结构的失效概率以及各随机变量对于结构失效的灵敏度矩阵.结果表明,刚性索穹顶结构的失效概率较小,且应力控制的失效概率小于位移控制的失效概率,最外圈斜索的预应力水平、荷载、刚性杆件截面积对于结构失效较为敏感.在此基础上,与相应索穹顶结构比较,两种索穹顶结构的失效主要都是位移控制,且在位移控制下,最外圈斜索的预应力水平对于刚性索穹顶结构失效的敏感程度要比整体预应力水平对于相应索穹顶结构失效的敏感程度低,刚性索穹顶结构较相应索穹顶结构更为可靠.     

空间网壳结构风振系数计算分析

以某空间网壳结构为例,采用刚性模型风洞测试风压时程数据,形成有限元模型节点风荷载时程计算风振响应,从而得到风振系数.由于结构外形复杂,计算了3个方向的位移风振系数.分析表明,3个方向上屋盖风振系数随风向角变化规律类似,大拱曲边涡脱效应使得0度、180度风向角为最不利风向角.另外,比较了非线性模态叠加法与Newmark积分计算结果.表明该方法在充分选取参振振型后可快速求得风振系数,精度满足工程要求.     

截球形气膜结构气弹模型风洞试验研究

为了研究截球形气膜结构的风致响应及风振系数，在B类地貌风场中进行了3种典型矢跨比截球形气膜结构的气弹模型风洞试验，考察内压、风速、有无拉索对膜面位移、应变的影响，分析截球形气膜结构的风致振动规律，提出截球形气膜的等效静力分析方法，给出考虑流固耦合效应的响应风振系数。研究表明：结构总位移极值出现在结构顶部及迎风面中心线约1/3矢高处，最大主应变发生在结构侧面中心线位置；结构平均变形呈顶部隆起、迎风面凹陷、侧面向外凸出的形状；风荷载作用下结构内压减小明显；结构顶部的横风向位移响应标准差、竖向位移响应标准差、顺风向位移响应标准差依次减小；无索结构总位移和最大主应力的风振系数均在1.1～1.4之间；施加拉索后，结构的竖向位移基本为0,顺风向位移及横风向位移极值分别减小为无索结构的50%和30%,总位移风振系数为1.6,最大主应力风振系数仍在1.1～1.4之间，拉索的应力风振系数约为1.6。     

基于风洞试验的苏通大跨越输电塔风振系数研究

苏通大跨越输电塔的结构形式有别于普通的钢结构杆塔,其塔身下部结构采用钢管混凝土、上部结构采用钢管,质量突变大,主要受风荷载控制,并且塔高超出GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》的梯度风高度限制。为此,采用气动弹性模型和刚性模型的边界层风洞试验确定苏通大跨越输电塔的风致响应和气动力,基于试验数据计算不同风向角下的惯性力风振系数、位移风振系数和有效荷载风振系数,并进行对比。并通过有限元分析梯度风高度对惯性力风振系数的影响,同时将有限元分析得到的风振系数分布和加权值与DL/T 5154的风振系数规定作比较。结果表明：上述3种风振系数分布规律并不相同,由其分别确定的等效位移接近于试验值;考虑梯度风高度后,风振系数变小,分布形状影响小;苏通大跨越输电塔的惯性力风振系数加权值小于1.6,且风振系数由下到上不是单调增大。     

开口式正方形刚性索穹顶的性能与灵敏度分析

针对索穹顶结构形式单一、脊索容易退出工作等问题,提出一种开口式正方形刚性索穹顶结构。以一个跨度为48 m,矢跨比为1/16的开口式正方形刚性索穹顶结构为例进行了性能分析,同时采用常用的Monte Carlo法分析其灵敏度。结果表明,在荷载作用下,节点位移变化平稳,且最大位移值较小。在位移控制下,对结构失效较为敏感的随机变量为刚性杆件截面面积、刚性杆件弹性模量和均布荷载。     

风振作用下索穹顶的优化设计

针对索穹顶在风振作用下的优化设计问题,基于线性滤波法,采用MATLAB软件对索穹顶进行风速时程模拟.以风振作用下索穹顶的总体横向位移、整体预应力水平、总重量为目标函数建立优化模型,采用ISIGHT软件集成ANSYS,基于NSGA II遗传算法,对索穹顶进行了多目标函数优化.优化结果表明:在风振作用下,总体横向位移增加少许,但整体预应力水平与总重量都得到较大的降低,优化结果具有较高的经济性与力学合理性.     

跳格布置对无内环空间索桁结构抗风性能影响研究

无内环空间索桁结构作为一种新型索桁张拉结构,具有跨度大、自重轻、抗连续性倒塌性能优越等特点.通过CFD技术模拟了结构的表面风压系数;利用线性滤波器法中的AR法,模拟了结构上表面所有节点的脉动风速时程;采用时域分析法,与原结构相比,研究了三种跳格布置方案的结构在风荷载作用下位移、内力以及风振系数的变化情况.研究结果表明:风荷载作用下,跳格布置方案主要增大了结构在跳格处的竖向位移,对于非跳格处影响有限.分别采用三种方案,即方案1:内环1所有压杆跳格;方案2:内环2所有压杆跳格;方案3:内环3所有压杆跳格.其中,采用方案3的结构竖向位移不满足《索结构技术规程》(JGJ 257-2012)中的相关要求;除采用方案2的结构压杆内力外,采用方案1,2的结构与原结构在最大内力和位移两方面基本一致.跳格布置仅对结构在跳格处的节点位移风振系数有影响,而对内力风振系数以及非跳格处节点位移风振系数无显著影响.建议原方案、方案1和方案2的结构位移风振系数分别取1.55,1.68,1.52.3种方案的上弦索、下弦索、压杆内力风振系数分别取1.07,1.11,1.13.     

刚性屋面索穹顶施工关键技术研究及工程应用

全张力结构索穹顶足国内空间结构专家一直关注的一种新型高效结构.目前,国内对索穹顶施工技术研究开展较少.结合我国无锡新区科技交流中心首个刚性屋面索穹顶工程,介绍其施工技术研究及创新安装方法.重点介绍了无支架提升索杆累积安装技术,脊索索夹抗滑力试验及紧固工艺,拉索张拉以及刚性屋面檩条高空安装技术.指出拉索张拉采用双控原则:控制结构内力和变形.     

上海松江新城交通枢纽暨购物中心钢结构穹顶风振分析

大跨度钢结构穹顶为风敏感结构,准确得到平均风荷载和风振力对工程设计非常重要.本文通过数值风洞模拟方法得到了各风向下穹顶结构的平均风压,尤其是给出了有效分析风激动力响应和等效风荷载的理论方法.通过分析松江新城钢结构穹顶的风振实例看出,对该工程风振影响最大的是整体水平与竖向运动的前八阶振型,动力部分大体占总响应的25%.本文为大跨度屋盖结构的风振分析提供了一种有效的计算方法.     

马鞍型体育馆的位移风振系数分析

在频域内,对马鞍型体育馆结构考虑了多阶振型的影响,由结构风振动力的振型分解法,进行了该体育馆前20阶振型和振型耦合后风振动位移响应的分析和研究,得到了结构的模态特性及风振动响应,并根据本文定义的位移风振系数,对此结构提出了工程设计需求的风振系数.     

大型球体建筑的风荷载设计研究

杭州国会中心建筑造型复杂,包含了大跨屋面和球体主楼.我国现行的荷载规范对这两种体型都没有给出风荷载,对于这种复杂结构的风振系数也没有给出相应的数据和计算方法.文章以该项目为例,采用风洞试验来测定该建筑的风荷载,并进行主体结构风振系数的有限元计算.初步探讨了复杂体型建筑的风荷载设计问题,对类似体型建筑的风荷载设计具有借鉴意义.     

高矢跨比椭圆抛物面弦支穹顶风振系数研究

常州市体育馆弦支穹顶,采用Levy型索杆体系以及外部联方型和内部凯威特型网格单层网壳。与常规已研究的弦支穹顶相比,其高矢跨比使网壳具有较大刚度,其椭圆抛物面外形使屋盖在水平风载作用下既存在风吸区也存在风压区。结合工程进行了高矢跨比椭圆抛物面弦支穹顶的风振时域分析,研究了网壳和索杆系的风振响应,在风振作用下,拉索索力和支座竖向反力减小,但拉索未松弛,风载未超过恒载;索杆系应力的均值和波动范围较小;网壳的纵轴和横轴上的响应变化规律较为一致,最大竖向位移出现在靠近中心的2~4环;网壳内环的竖向位移风振系数比较均匀,外环波动较大。通过统计风振响应参数,探讨了整体风振系数的计算方法。基于响应均值和最大值的线性关系,采用风振响应与平均风静力响应的最大值之比作为适用于风载静力分析的整体风振系数,并提出不同风向下的建议值。方法简便,无需判定奇点和统计各样本响应时程。风振响应分析结论及整体风振系数计算方法和结果,可为类似结构的抗风     

某典型细长索膜结构风振效应的数值模拟分析

基于计算流体动力学(CFD)和结构有限元方法,数值模拟分析桅杆支承式细长型索膜结构风振效应.运用谐波叠加法模拟生成风速时程,并与SSTk-ω湍流模型结合作为风场计算域入口条件,运用ADINA有限元软件,数值计算考虑风致流固耦合作用的某典型细长索膜结构关键响应,包括索膜结构节点的风致位移响应、速度响应、加速度响应等,分析不同风向角对索膜结构风致效应的影响,计算获得基于结构风致位移响应的风振系数.研究成果可为工程抗风设计提供技术依据.     

点支式玻璃建筑鱼腹式柔性支承体系风振响应分析

以清华大学游泳馆点式玻璃建筑设计为背景 ,在点式玻璃建筑中两种常用的鱼腹式柔性支承系统动力特性研究的基础上 ,运用AR法对脉动风荷载进行了模拟 ,将风荷载导入ANSYS对鱼腹式柔性支承体系的风振响应进行了时程分析。分析了支承体系的风振系数 ,并研究了预应力和矢跨比对风振响应和风振系数的影响。     

凯威特型单层球面网壳结构风振系数研究

风振系数是进行结构风荷载计算和抗风设计的重要参数。本文利用线性自回归过滤器的模拟方法对考虑时间和空间相关性的风场进行模拟,采用有限元分析软件ANSYS对一跨度为40m的凯威特型单层球面网壳结构进行风荷载作用下的时程响应分析,考虑3种矢跨比的影响(1/8、1/5、1/4),总结风振响应的变化规律及其影响因素。计算得出该结构的位移风振系数和内力风振系数均为2.5~3.0。     

点支式幕墙支撑结构风振系数计算

目前幕墙规范中采用阵风系数来代替风振系数对幕墙支承结构进行风振计算,这与实际情况差异较大,本文为此提出了基于简支梁模型的幕墙风振系数算法.基于随机振动理论,笔者首先导出了幕墙结构随机风荷载作用下响应的具体表达式,并由此建立了点支式幕墙风振系数的简化计算公式,并通过数值仿真计算验证了该算法的有效性.该计算公式与现行荷载规范中风振系数的表达式在外形上基本一致,可方便的应用于实际设计,也可作为修订规范或规程时的参考.