风驱雨荷载作用下鞍形膜结构动力响应及可靠度研究

通过有限元数值模拟和风洞试验对鞍形膜结构在风驱雨荷载作用下的动力响应及其结构可靠度进行研究。采用Workbench软件中的Mechanical APDL模块与Fluent模块建立鞍形膜结构在风驱雨荷载作用下的模型,将该模型导入ANSYS AUTODYN软件中求解得到动力响应曲线。基于气弹相似理论制作了试验模型,并对试验模型进行风驱雨动力加载试验,从而得到其膜面不同特征点在不同工况下的动力响应数据。通过蒙特卡洛法对数值模拟和试验的动力响应数据进行求解,得到鞍形膜结构的可靠指标。此外,讨论了风雨荷载组合、预张力和矢跨比对鞍形膜结构动力响应与可靠度的影响。将试验与数值模拟进行对比分析,数值模拟结果与试验结果较为吻合。研究发现：风驱雨荷载会使膜结构产生显著的非线性振动,通过增大鞍形膜结构的预张力和矢跨比可有效减小振动响应;在不同参数之间,矢跨比对膜结构可靠度的影响更为显著。论文的研究方法和结果可以为膜结构非线性动力响应研究和基于可靠度理论的膜结构设计提供参考。     

两自由度系统气弹响应特性研究

基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)离散时间气动模型,计算了有无结构阻尼的薄平板在均匀流中分别受单自由度或两自由度(同时)初始位移激励下的系统气弹响应,分析了气弹位移及气动力时程特征及相互关系。研究表明:任意一个自由度的激励将激发起系统两个自由度方向的振动;低折算风速下,气动耦合项作用很小,气动力能对气弹系统产生气动正阻尼作用,且产生的竖弯气动阻尼大于扭转气动阻尼。研究还表明:系统任意一个自由度方向的气弹位移响应,以及升力或扭矩时程均有系统两个振动模态参与。气弹系统以某一系统频率发生的振动,是一个自由度方向的主运动和另一个自由度方向的耦合运动以一定的参与程度组合形成的牵连运动。     

覆冰输电线路舞动气动阻尼识别

利用覆冰导线刚性节段模型外加弹簧及配重模拟覆冰输电线路竖向及扭转运动动力特性,制作了D形覆冰单导线、新月形覆冰单导线和分裂导线竖向-扭转二自由度气弹模型,通过调整模型竖向/扭转自振频率比及风速、风攻角,于风洞中激发了D形覆冰单导线气弹模型的纯竖向和竖扭耦合失稳舞动,以及新月形覆冰分裂导线气弹模型的竖扭耦合舞动,并记录了其响应时程,通过Hilbert变换进行了竖向舞动和扭转气动阻尼的识别,研究了风速、风攻角、竖扭频率比、覆冰断面、导线数量及布置形式对气动阻尼的影响。对D形覆冰导线纯竖向舞动时根据响应识别所得气动阻尼比与根据Den-Hartog机理计算所得理论气动阻尼比进行了比较。试验结果表明：舞动时气动阻尼比为负值,在试验风速范围内其绝对值随风速增长而增大;D形覆冰导线纯竖向舞动时识别所得气动阻尼比绝对值略小于理论气动阻尼比;导线分裂数量对气动阻尼具有影响;扭转响应对竖向舞动气动阻尼的影响则较为复杂。     

某菱形截面纪念碑风致气弹响应风洞试验研究

对某高100米的菱形截面纪念碑进行刚性模型多点同步扫描测压与摆式气弹模型测振风洞试验,进而在测压数据基础上建立频域风荷载模型并采用随机振动分析方法计算结构风振响应,同时应用随机减量技术（RDT）识别了该气弹模型风致振动时的气动阻尼比。当在频响函数中考虑气动阻尼比后的风振响应计算结果和气弹模型试验值具有很好的一致性。由于实际结构振型与摆式模型线性振型存在差异,用振型修正系数修正气弹模型试验结果可得到实际结构风振响应。分析结果表明,刚性模型测压建立荷载模型,结合气弹模型测振识别气动阻尼,代入实际结构频域响应计算方法能够较精确地评估强风作用下低频小阻尼高耸结构的风致气弹响应。     

超高层建筑多自由度气弹模型的优势及制作方法

首先简要对比了测力天平、刚性模型测压、强迫振动、气动弹性模型等四种试验手段的特点,然后着重分析了底部弹性支撑的摆式气弹模型和多自由度气弹模型试验结果的差异,分析发现,对超高超柔的方截面建筑而言,摆式模型所得的横风向风致响应在小风速下比多自由度模型略大,而在包含横风向共振风速在内的大风速下则明显大于多自由度模型,其气动阻尼特性、气动刚度特性和表面风压相干性等倾向于使摆式模型出现相对较大的风致响应。究其原因,是因为只模拟一阶模态的摆式模型在反映流固互制气弹效应方面不够真实且不及多自由度模型精细,即参振模态的不同(包括参振模态数量、高阶与低阶平动频率比、扭转与平动频率比)会使振动形式发生改变,进而影响振动时的气弹效应并改变振动位移。在此结论的基础上,提出了多自由度气弹模型改进设计方法,该方法考虑了低阶与高阶频率比、平动与扭转频率比的可调性,同时解决了模型弯剪振型成分的可控制性和阻尼调节等问题,以期为实际项目的多自由度模型制作和相关研究提供便利和参考。     

考虑阻尼材料频变特性的结构响应计算方法

为了对附加阻尼结构的振动响应进行准确计算,提出了一种考虑阻尼材料频变特性的结构响应计算方法,可以准确提取附加阻尼结构的模态参数并计算振动响应。阻尼材料的材料属性会受到激励频率的影响而变化,导致附加阻尼结构的建模和振动响应计算不够精确;因此在传统模态应变能法的基础上,建立了考虑材料频变特性的改进模态应变能法,提取了复合结构的模态参数,并通过模态试验验证了所提取模态参数的准确性;并在振动响应计算中准确计入了模态参数,对比了测试点在仿真和试验中的加速度频响曲线,验证了响应计算方法的准确性。结果表明该方法可以准确提取附加阻尼结构的模态参数,并能在一定频段范围内准确计算其振动响应。     

输电导线气动阻尼效应的风洞试验研究

基于单跨六分裂输电导线气弹模型风洞试验,测得了不同风速下输电导线端部,即输电导线传递给输电塔的动张力时程,结合经验模态分解法(EMD)、小波分析及随机减量法(RDT)识别了输电导线的前四阶气动阻尼比,并将其与基于准定常理论的气动阻尼比进行了对比。考虑气动阻尼的影响,对输电导线动张力进行了计算。研究结果表明:输电导线的气动阻尼相对于结构阻尼,占有主导地位,在强风下可以达到结构阻尼比的10倍以上;由于输电导线的风致非线性振动,使得基于准定常理论的气动阻尼比与识别结果相比存在显著差异;强风作用下,不考虑气动阻尼比的计算结果将严重地高估输电导线的风致动张力响应。     

气幕对弹性球壳振动影响的探讨

对气幕中弹性薄球壳的振动进行理论分析，以探讨气幕对结构振动的影响。分析表明：气幕对结构强迫振动响应的影响，相当于给结构增加了附加质量（气幕压缩性的影响）和附加阻尼（气幕阻尼的影响），它们与气幕自身的参数及激振频率有关。     

基于微型永电磁式涡流阻尼TMD的人行桥模型减振试验研究

针对现有结构模型减振实验用调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)难以实现TMD刚度与阻尼参数完全分离、阻尼参数试验过程中无法保持恒定且难以调整问题,研制微型永磁式电涡流阻尼TMD。其性能试验与分析结果表明,微型TMD采用电涡流阻尼装置既能确保刚度与阻尼参数的有效分离,亦能实现阻尼参数稳定、简单易调。通过某大跨度人行桥模型一阶横向振动模态自由振动减振实验识别获得结构模态阻尼比及强迫振动减振实验识别获得结构模态阻尼比、结构动力响应放大倍数、结构与TMD运动相位差等,证实微型永磁式电涡流阻尼TMD用于结构模型减振实验的可行性与有效性。     

大跨度桥梁高阶涡振幅值对比风洞试验研究

为研究三维(3D)柔性桥梁及其二维(2D)刚性节段模型的高阶涡振幅值换算系数,采用一3D多点弹性支撑气弹模型开展风洞试验实测高阶涡振响应,并基于该气弹模型的模态参数按照1:1的原则设计制作2D刚性节段模型开展对比风洞试验研究。气弹模型与节段模型之间的几何缩尺比为1,两者具有相同的截面尺寸、等效质量、固有频率以及阻尼比;风洞试验实测到了气弹模型和节段模型对应不同模态阶次的高阶涡振锁定现象。试验结果表明:对于同阶模态,气弹模型和节段模型的起振风速、振动卓越频率以及区间跨度吻合良好,在高阶涡振幅值换算关系上,气弹模型约为节段模型的1.3倍。     

小垂度薄膜屋盖的气弹动力耦合作用方程

薄膜结构自重轻、刚度小、自振频率低,对风的作用非常敏感,一般认为在风荷载作用下会产生较大的位移和加速度反应,并可能引起局部流场的变化甚至诱发气弹失稳,所以应在考虑风与结构的耦合作用基础上分析结构的风振反应。研究了风与薄膜屋盖的耦合作用方程。从弹性薄壳的无矩理论出发,考虑薄膜结构的几何非线性,并引入扁壳理论的假定建立了小垂度薄膜屋盖的平衡方程和相容方程。然后采用流体力学中的势流理论并参考空气动力学中的薄翼型理论确定了作用于封闭薄膜屋盖外侧的动气压,从而建立了风与薄膜屋盖的动力耦合作用方程。为下一步的研究提供了解析模型。     

矩形平面双曲抛物面薄膜屋盖的动力失稳临界风速

由于薄膜结构质量轻、刚度小、自振频率低,对风的作用非常敏感,一般认为在风荷载作用下会产生较大的位移和加速度反应,并可能引起局部流场的变化甚至诱发气弹失稳,所以应在考虑风与结构的耦合作用基础上分析结构的风振反应。失稳临界风速的确定是其主要内容之一。研究了均匀的理想势流作用下小垂度矩形双曲抛物面薄膜屋盖的失稳临界风速。首先建立薄膜屋盖的平衡方程,然后应用流体力学中的势流理论确定作用于薄膜表面上的气动力,从而建立起风与薄膜结构的耦合作用方程,并利用Bubnov-Galerkin方法将用带有积分的微分方程表示的耦合作用方程转化为一组常系数二阶微分方程,根据Routh-Hurwitz稳定性准则确定薄膜的失稳临界风速。由临界风速公式可以看出,临界风速与膜材参数、薄膜屋盖本身的几何尺寸和形状及两个方向上的预张力有关。     

独立矩形截面超高层建筑的顺风向气动阻尼风洞试验研究

通过37个超高层建筑气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了气动阻尼,并通过与前人相关研究成果及基于准定常理论的计算结果的比较验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了独立矩形截面超高层建筑顺风向气动阻尼的变化规律,考察了质量密度比、广义刚度、结构阻尼比、高宽比、宽厚比及风场类型对建筑结构气动阻尼比的影响。研究结果表明：超高层建筑顺风向气动阻尼比随折减风速变化的曲线近似一条单调增加的直线;结构阻尼比、质量密度比、宽厚比、折减风速、高宽比是影响顺风气动阻尼的比较重要的参数;广义刚度、风场类型相对影响较小。基于这些研究数据,拟合了超高层建筑顺风向气动阻尼比的经验公式,供工程设计人员参考。     

修角对方形超高层建筑横风向气动阻尼的影响

为了研究横截面削角、凹角及沿高收缩处理三种气动修正措施对作用在建筑上的横风向气动阻尼比的影响,对10个超高层建筑气动弹性模型进行了风洞试验。利用随机减量法识别了横风向气动阻尼比,通过与前人相关研究成果的比较,验证了识别结果的正确性。研究结果表明:角沿处理及截面沿高收缩对抑制超高层建筑的气动弹性效应并非总是有效,较小的削角率(5%~20%)、凹角率(5%和10%)及沿高收缩率(1%)可以有效的减小各折减风速下气动阻尼比绝对值的大小,而当这些气动修正措施相对尺寸较大(凹角率20%、3%及5%的沿高收缩率)时,气动阻尼比的改变将增大结构风致振动响应。基于这些研究,拟合了适用于低折减风速下相应工况的横风向气动阻尼比的经验参数,供工程设计人员参考。     

大长细比钝体构件涡激共振与驰振的耦合研究

当细长结构的驰振临界风速位于涡激共振风速锁定区间内或者接近时,存在涡激共振与驰振两种不同类型风振现象耦合的可能。该文对这两种振动耦合进行了理论推导并建立了相关的耦合振动预测模型;根据3个大长细比钝体构件的工程实例,通过数值模拟和风洞试验等手段获得的相关风振参数分别估算了两类振动的临界风速与锁定区间。由风洞试验测得的构件实际振动曲线与预测模型吻合良好,从而证实了一定条件下构件涡激共振和驰振存在耦合的可能,定性地说明了在两种不同振动机理下产生的气动负阻尼会相互叠加并共同抵消结构机械阻尼,使涡激共振幅值增大,驰振临界风速提前。     

索膜结构风致流固耦合气动阻尼效应研究

根据三角形重心坐标系原理提出了基于松耦合计算的流固耦合网格协调插值新方法,提高了流固耦合的计算效率;为解决由于柔性结构加速度过大而导致的求解不稳定问题,通过在1个时间步上进行流体及结构间反复交替求解来得到稳定的时程解。应用上述方法对一柔性平屋盖结构进行风振响应的数值模拟计算,通过与风洞试验的对比验证了计算结果的可靠性,并较全面地再现结构在风作用下的实际行为。在此基础上,联合采用经验模态分解法(EMD),随机减量法(RDT)和希尔伯特变换法(HT)从结构的动力响应时程数据中提取到了结构的气动阻尼特性信息。分析结果表明,气动阻尼在柔性结构的风振响应中作用不容忽视,主要表现为:四周封闭建筑的阻尼比远小于迎风面开孔建筑的阻尼比,且四周封闭状态下气动阻尼随风速变化小,其对总阻尼的影响较小;而迎风面开孔状态下气动阻尼较大且随风速的增大而增大。因此,对于柔性且阻尼较小的结构,特别对于开孔结构,气动阻尼的影响不可忽略。     

方形断面高层建筑的气动阻尼研究

通过长细比为6的方形断面柱体单自由度气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量方法对这类高层建筑的横风向及顺风向气动阻尼进行了估算,分析了折减风速大小、结构所处风场类型及结构阻尼对气动阻尼的影响规律,拟合得到实用计算公式,可供规范修订时参考。     

基于分离涡方法的台北101大厦流固耦合风致响应分析

以台北101大楼为研究对象,应用一种新的湍流脉动流场产生方法(DSRFG)模拟了台北101大厦周围风场的湍流入口边界条件,采用分离涡方法对该建筑进行数值风洞模拟。根据大厦外形特征,建立了几何模型,用于大厦风荷载的数值模拟;基于大厦振动监测系统得到的结构模态、自振频率等数据,建立了大厦的结构模型,用于气弹响应分析。将计算结果与现场实测以及风洞测力试验的相应数据进行了对比,以验证数值风洞的有效性。对是否考虑流固耦合的大厦数值模型的等效风荷载及风致响应进行对比分析,并探讨了流固耦合效应对大厦周围风流场的影响。对该对象的研究结果表明,在顺风向上,建筑物的风致响应不易受流固耦合效应影响,而在横风向上,考虑了双向流固耦合的有限元模型,其等效静风荷载及加速度与位移响应均小于未考虑流固耦合的有限元模型。在流场上,流固耦合效应减小了建筑两侧的涡量,但会产生较大的脱落涡旋,可能会对下游建筑风环境造成不利影响。