大跨度平屋面的风振响应及风振系数

本文在有限元分析的基础上建立了大跨度平屋面结构在风荷载作用下的风振响应谱分析方法,并采用Davenport谱和由风洞试验得到的屋盖表面的平均风压分布系数计算了屋面的风振响应及风振系数。文中还深入探讨了屋面刚度、来流风速及风向等参数对大跨度平屋面竖向风振响应及风振系数的影响。计算表明:① 大跨度平屋面的竖向风振响应主要是由第一振型所支配,高阶振型对屋面板竖向风振响应的影响很小;② 屋面刚度及来流风速对大跨度平屋面的竖向风振响应影响比较大,但对位移风振系数的影响不太明显;③ 在工程设计中,建议采用位移风振系数来计算大跨度平屋面的等效静力风荷载。     

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。     

神经网络方法在大跨度屋面风压研究中的应用

大跨度结构屋盖表面风压系数和功率谱的测量对于结构风振响应的计算有重要意义。提出了根据有限的风洞试验测试结果用神经网络方法预测未知点平均和脉动风压系数、以及脉动风压的自功率谱和互功率谱函数的方法,并将这一方法应用于一座实际大跨度屋盖结构,其预测结果与实测值吻合得较好。这为研究大跨度屋盖结构的风荷载和风振响应分析提供了一个有效方法。     

高耸格构式结构风振数值分析及风洞试验

以１８３ｍ高的某跨江输电铁塔为原型，设计制作了全塔气动弹性模型，对高耸格构式结构的风荷载及风振响应进行了风洞试验研究，获得了风振响应和风振系数等重要结果，并采用空间桁架模式，考虑风与结构耦合作用的影响，在频域中进行了随机风荷载作用下的风振响应数值计算机分析。     

大跨屋盖结构风振响应参数灵敏度分析

对典型大跨屋盖结构风振响应开展参数灵敏度研究,目的是定量评估各种不确定因素对结构风振响应不确定性的贡献率,获得不确定性在风荷载与风振响应间的传递规律。首先结合Sobol'方差分解法和拉丁超立方抽样技术建立适用于大跨屋盖结构的全局灵敏度分析方法,通过多次采样风洞试验获得大量脉动风荷载时程,作为灵敏度分析的输入变量。合理建立结构参数概率统计模型,分别应用局部和全局灵敏度分析方法对典型大跨屋盖结构极值风振响应进行了参数灵敏度分析,研究发现:多个参数共同随机变化时,结构极值风振响应近似服从广义极值分布;结构风振响应的不确定性主要受风荷载不确定性控制;结构风振响应的参数灵敏度与共振响应在总响应中的比重有关,共振响应占比越大,结构对风荷载越敏感。     

井冈山机场航站楼屋盖表面风压的数值模拟及试验研究

采用数值模拟方法对井冈山机场航站楼屋盖结构在近地风作用下的表面风压进行了计算,并在边界层风洞中对该屋盖的表面风压进行了模型试验测定。数值模拟基于稳态的Reynolds时均Navier-Stokes方程,运用了标准k?ε湍流封闭模型。将计算得到的风压系数值与风洞试验值作了比较,结果表明数值模拟较好地反映了大跨度屋盖表面风压的分布情况,由其得到的风压系数与风洞试验数据有较好的吻合。     

索穹顶结构风振响应时程分析

采用改进的AR法和相应自编程序,模拟出索穹顶屋盖结构各节点的脉动风速时程,将流固耦合作用引入结构的动力平衡方程,进行了结构风振响应时程分析。通过结构典型节点处的位移响应和关键构件的内力响应计算结果的分析,给出结构的位移风振系数和内力风振系数,并与结构风振响应频域分析结果加以对比,得到一些有意义的结果和结论。     

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。     

大跨度屋盖结构等效静力风荷载背景分量的确定方法探讨

重点对结构等效静力风荷载背景分量的确定方法进行了系统分析。并结合风洞试验,分别采用阵风荷载因子法、风压轮廓面法和荷载响应相关系数法,分析一鞍形索网屋盖结构不同风向角、不同极值响应对应的等效静力风荷载背景分量,并与风洞试验方法确定的极值响应对应的瞬态脉动风压进行对比,结果表明荷载响应相关系数法在确定该类结构等效静力风荷载背景分量有很好的适用性,而其它几种方法计算偏差较大,这为大跨度屋盖结构等效静力风荷载的研究奠定了一定的基础。     

B类风场与台风风场下输电塔的风振响应和风振系数

为研究常规B类风场与台风风场下输电塔的风振响应差异,以沿海地区某四回路角钢输电塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法生成两类风场下的风速时程,并在时域内进行了输电塔风振响应和风振系数的数值分析。结果表明：台风风场的高湍流特性导致其作用时各测点的顺风向风振响应均大于B类风场下的对应值。两类风场下,输电塔的风振系数比值约为1.25。因此,台风多发地区的输电塔设计必须考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应。此外还进行了气弹模型风洞试验,以研究不同风速下的气动响应和风振系数,并将试验结果与理论计算进行了分析比较,验证了数值分析的适用性。     

突然开孔结构的风致内压及屋盖响应研究

在系统阐述开孔结构的内压瞬态波动理论及屋面结构风振响应问题的基础上,对开孔瞬间的脉冲内压、气流稳定后屋盖结构所受的最大净风压进行了估算;同时讨论了内压作用下的屋盖响应特性。研究表明,建筑物突然开孔时的内压脉冲对结构安全威胁很大,对于已经存在开孔的结构的屋盖由于受到内外压的共同作用要比开孔前承受更大的风荷载,从而解释了台风或者飓风期间建筑物门窗突然破坏时容易进一步造成屋盖破坏的现象。屋盖响应分析结果表明,当开孔结构的H e lm ho ltz频率、弹性屋盖的固有频率以及来流中所包含的涡脱落频率,三者接近时,屋盖将发生较大的共振。     

大跨平屋盖风荷载特性及风压预测研究

在大气边界层风洞中开展了大跨平屋盖结构刚性模型试验,获得了屋盖表面测点的风压时程,分析了典型风向下屋盖表面平均风压与脉动风压特性。结合本征正交分解技术(POD)与BP神经网络法,提出了一种可用于大跨结构进行空间插值的机器学习法—POD-BPNN法,实现了对风压的高效预测。预测的平均风压系数、脉动风压系数、脉动风压的时域与频域特性均与风洞试验值相吻合。表明运用POD-BPNN方法预测大跨结构表面风压是可行的。     

索膜结构风振气弹效应的风洞实验研究

提出一种可以考虑索膜结构与风荷载动力耦合作用的简化气弹力学模型方法。以该方法为理论基础,进行了多个鞍形索网和鞍形膜结构的缩尺模型风洞气弹实验。研究内容包括:1)通过对形状相同的刚性模型和弹性模型表面的脉动风压与结构响应观测,探讨了附加气动力对结构响应的影响;2)利用随机减量技术对实验数据进行处理,实现了对气动阻尼、附加质量等参数的识别;3)通过对大量试验数据分析,得到了附加质量和气动阻尼随来流风速、风向、结构刚度和结构振动模态的变化规律。实验结果表明:气动阻尼对结构振动的影响较为显著,特别是对结构的低阶模态,气动阻尼比可达到15%左右;附加质量对结构振动的影响较小,其量级仅为结构质量的1倍―2倍左右。该试验过程中未发现结构出现整体气弹失稳现象,但在某些工况下,在结构局部测点出现气动负阻尼。     

降阶模型及其在大跨度屋盖结构风振中的应用研究

该文建立了一种适用于气弹系统中非线性结构的降阶模型及系统识别方法,并首次将结构降阶模型应用到大跨度屋盖风振结构模型的建立中。非线性结构采用降阶模型并通过高精度有限元模型的非线性系统识别来建立,该模型在结构的模态坐标中将应变能泛函表示为结构模态振幅的多项式函数,该多项式的系数由高精度有限元模型计算所得的模态和应变能信息确定。该方法对一大跨度屋盖的风振响应做了分析,计算结果与采用高精度模型所得结果和实验结果及用ANSYS计算结果进行了比较,结果符合良好。该文的结构降阶模型对于建立非线性结构模型是准确有效的。     

大型煤仓球壳的风致干扰效应研究

针对两座连续排列的大型煤仓球壳的风致干扰效应进行了风洞试验研究,并基于Reynolds时均N-S方程和RSM模型对其进行了CFD数值模拟。将数值模拟结果与风洞试验结果进行了对比分析,两者吻合较好,在此基础上探讨了煤仓球壳之间的风致静力及动力干扰效应,结果表明:静力干扰效应主要表现为阻碍效应,其结果是降低了来流动能,提高了来流湍流度;动力干扰主要表现在增大效应,当受扰建筑处于施扰建筑的下游时,动力干扰效应较大。     

开孔结构风致内压脉动的频域法分析

提出了估算开孔结构风致内压脉动的频域分析方法,并实施了风洞试验进行验证。针对结构迎风面开孔的不利状况,根据伯努利方程导出内压响应动力微分方程,再采用能量法将非线性阻尼线性化,结合随机振动理论及迭代算法得到风致内压脉动量,通过数值算例分析了开孔结构内压频响特性及开孔率、开孔数量与开孔位置对风致内压脉动的影响。设计制作了迎风墙面具有不同开孔的刚性模型对结构内部进行风洞测压试验,试验结果与理论结果较为吻合。理论与试验研究结果均表明,对于结构单一开孔,空腔-孔口动力系统的频响特性及孔口外压谱决定了内压的脉动量,而多处开孔时各孔口风压的相关性也成为影响内压脉动的重要因素。