大跨屋盖结构脉动风振响应特性预测方法研究

基于结构脉动风振响应计算的三分量(背景、共振及其耦合项)完全组合思路,提出一种大跨屋盖结构脉动风振响应特性预测方法,据此实现结构脉动风振总响应的高效精准计算.引入应变能的概念,综合考虑结构所有节点上三分量响应对脉动风振总响应的贡献,定义各响应分量应变能预测系数,为了避免直接计算各响应分量具体数值,根据大跨屋盖结构各响应...     

大跨屋盖结构共振响应的简化CQC法

大跨度煤棚结构作为风敏感结构,在工程设计中应充分考虑风荷载的影响。该文以煤棚结构为研究对象,对其刚性模型进行风洞试验研究。考虑分别在0°、90°、180°和270°风向角下,煤棚两端弧面及天窗位置处风压分布情况,进一步分析煤棚表面特殊形状位置处体型系数随风向角的变化规律。研究表明：观察0°、90°、180°和270°风向角下各个测点的体型系数,发现风向角为90°时,弧面底部位置处,测点A1(B1)体型系数较大,在煤棚设计与施工中应针对该测点附近区域进行加固。对比分析各风向角下,天窗位置测点的体型系数,90°风向角下体型系数绝对值较大,认为此时风压较大,应适当对其加固。     

大跨屋盖结构风致背景响应和共振响应实用组合方法

以随机振动理论为基础,推导了大跨屋盖结构风致背景响应及其模态耦合项、共振响应及其模态耦合项以及背景响应和共振响应耦合项的计算公式,提出了考虑耦合效应的脉动风总响应组合方法;在此基础上,引入耦合效应修正系数,并根据结构动力特性与风荷载特性对提出的脉动风总响应组合公式进行了简化分析,得到了相应的实用组合公式,据此可以实现大跨屋盖结构考虑耦合效应的风致背景响应和共振响应实用高效组合。最后,通过国家体育场屋盖主结构风致背景响应和共振响应组合计算对所提方法的有效性进行了验证。     

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。     

具有凹面外形的大跨屋盖结构风荷载分布及风洞试验研究

采用刚性模型测压风洞试验获得某二次凹面结构风荷载分布,对比不同风速、不同风场类型下平均风压系数与脉动风压系数变化。结果表明,结构迎风向边缘由于流体分离形成强负压区,流体再附后在屋面大部分区域形成稳定的低正压区;来流风速对结构表面风荷载分布规律及风压系数值影响不大,紊流度对结构表面风荷载尤其是迎风端流体分离区的风压系数有较大影响,在类似结构的风荷载测试中,需根据实际状况尽可能合理模拟来流紊流。     

考虑带宽修正的大跨屋盖结构非高斯风压极值估计方法

针对大跨屋盖结构表面风压宽频谱特性与极值风压估计方法问题。提出一种基于带宽修正的高斯转化法求解非高斯风压峰值因子,结合大跨屋盖结构风洞试验,采用该方法和现有极值风压评估方法对大跨屋盖结构表面极值风压开展了系统的对比验证研究。结果表明：高斯峰值因子法估算的大跨屋盖结构表面风压峰值因子明显偏离了非高斯风压的峰值因子;忽略带宽参数的Hermite矩模型高估了非高斯风压的峰值因子;相对于修正带宽的Hermite矩模型和目标概率法,提出的修正带宽高斯转化法与Sadek-Simiu法估计的大跨屋盖结构风压峰值因子更为准确,与试验观测值整体上最接近,且提出的修正带宽高斯转化法得到的结果误差及离散性均较小,能够高效合理地提供大跨屋盖结构表面非高斯风压峰值因子。     

大跨屋盖风致背景响应和共振响应的模态耦合

引入模态应变能的概念,定义了背景响应模态耦合系数和共振响应模态耦合系数,依据该系数可以方便地判别背景响应、共振响应不同模态之间耦合效应的强弱,为识别耦合主导模态(强耦合模态)确定了准则.在此基础上,结构总的背景响应、共振响应可以分别采用各自主导模态的简单SRSS组合再叠加强模态耦合项得到.最后,对北京2008奥运网球中心屋盖结构风致动力响应分析,验证了所提出方法的有效性.     

基于能量的大跨屋盖结构共振响应模态耦合效应分析

提出一种简单判别共振响应模态耦合效应的分析方法,该方法综合考虑结构的动力特性和风荷载特性,定义了共振响应模态耦合系数。依据该系数,通过几个特征参数(如结构模态和风荷载信息)就可以快捷的判断模态间共振响应耦合效应强弱,实现对共振响应耦合主导模态的选取。在此基础上,给出了大跨屋盖结构考虑模态间耦合效应的共振响应实用组合方法。最后,将该方法用于国家体育场屋盖结构风致动力响应分析,验证了其有效性。     

基于应变能等效的大跨屋盖结构背景响应等效静力风荷载

根据结构应变能等效,推导了大跨屋盖结构背景响应等效静力风荷载表达式,解决了大跨屋盖结构等效静力风荷载计算中需要兼顾多个等效目标的问题,并赋予了其明确的物理意义,即将其与脉动风荷载下结构的应变能联系起来.最后将该方法应用于国家体育场屋盖结构背景响应等效静力风荷载的计算以验证其有效性.     

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。     

大跨高耸柔性结构的风致振动

我国的改革开放政策带来了大跨度桥梁和高耸结构建设的高潮。随着结构跨度和高度的增大,风对这些柔性结构的作用就不限于静力风荷载,而必须考虑各种风致振动问题,以及由此引起的动力风效应。 国际风工程界对结构风效应的研究已着重于非线性风致振动的精细化,结构气动参数的精确识别以及为风洞试验所需的紊流风场的真实模拟。结构抗风设计也正从确定性方式向基于可靠性理论的概率性评价过渡。 为了使我国结构风工程领域的研究全面赶上世界先进水平,并为解决进入21世纪的特大跨度桥梁和超高层建筑中的风工程问题作好准备,本文提出了一些迫切需要进行的研究热点。     

台风致窗户破坏时大跨度屋面风振响应研究

通过大跨度屋盖建筑刚性模型风洞试验和气动弹性模型风洞试验,得到屋面节点风压时程和加速度时程.采用试验所得的脉动风压时程数据利用有限元法对屋面进行风振瞬态响应分析得到了屋面位移和加速度响应,并与气动弹性模型风洞试验结果相比较,验证瞬态分析的正确性.详细阐述了台风致窗户破坏时大跨度屋盖结构的风振响应机理和特点,计算并比较了四周封闭和突然开孔两种情况的荷载风振系数和位移风振系数.这些结论为大跨度屋盖结构的抗风设计提供了指导和参考.     

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。     

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。     

桥梁风致颤振临界状态的全域自动搜索法

本文进一步完善了桥梁风致颤振三维分析的多模态参与单参数搜索M-S法:实现了无量纲风速范围内多个可能颤振形态的全域自动搜索;构造了考虑结构阻尼的自动迭代法;分析过程不需任何人工干预。文末虎门桥算例展示了本文方法的优点:计算过程不需人工干预,计算结果稳定。改进后的方法已在作者开发的大跨度桥梁空间静动力分析NACS程序的Windows版本中实现。桥梁设计人员可以直接应用NACS程序方便快捷地预测桥梁的颤振临界风速,也可供桥梁抗风研究应用。     

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。     

考虑叶片离心刚化效应的风力机塔架风振反应分析

为分析风轮作用力和叶片刚化对风力机塔架风振反应的影响,研究了考虑叶片刚化效应时风力机塔架的风振反应。采用谐波叠加法模拟了风力机塔架和叶片的脉动风速时程,在理论上推导了考虑离心刚化效应的叶片振动方程。该文分3种工况计算了叶片与塔架在风荷载作用下的动力反应,并对比了3种工况的塔架顶点位移及其相对误差。结果分析表明:叶片剪力对塔架的动力反应影响较大,叶片刚化效应减小了塔架的风振反应,在动力计算过程中应考虑刚化效应的影响。     

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。