大跨度索膜屋盖结构的风振系数研究

索膜屋盖结构重量轻、柔度大、阻尼小,风荷载成为外力作用的主要因素。在索膜结构设计中,风振系数成为确定结构风荷载的主要参数。本文首先讨论了风振响应统计量与风振系数的概念,然后提出采用非线性有限元分析与人工神经网络相结合的新方法,寻找风振系数与平均风速以及与索膜预张力之间的关系。以一个大型索膜屋盖结构为例进行了分析,验证了本文方法的有效性。获得了风振系数随平均风速和索膜张力变化的规律,为索膜结构抗风设计提供了科学依据。     

鞍形索网的风振响应特性研究

将风振响应分为平均响应、背景响应和共振响应三部分,其中背景响应采用影响线的方法计算,共振响应采用Ritz-POD法计算.将该方法应用于矢跨比为1/12的鞍形索网结构,通过同步测压试验确定风荷载,对其自振特性、风振响应谱特征、振型参与特性、振型间的耦合效应、以及各响应分量的分布规律进行了研究.结果表明:风振响应明显呈现多阶振型参与振动、且低阶振型贡献较大的特点;振型间的耦合效应较明显;脉动风响应明显大于平均风响应,共振响应占主导地位,背景响应所占比例较小.     

大跨度屋盖结构等效静力风荷载中共振分量的确定方法研究

大跨度屋盖结构等效静力风荷载中的共振分量确定,包括对结构共振响应的准确计算以及如何将其等效为静力风荷载这两个主要问题。针对第一个问题,提出Ritz-POD法分析该类结构的风振响应,以解决在结构风振响应分析中存在的多振型参与结构振动且高阶振型对结构风振响应贡献可能较大这一问题;针对第二个问题,将等效静力风荷载的共振分量表示为各Ritz向量的等效惯性力的组合。对一鞍型索网结构的等效静力风荷载分布情况进行了分析;结果表明,能够有效地解决大跨度屋盖结构等效静力风荷载的确定问题。     

沈阳综合体育馆屋盖多振型和交叉项对动位移响应的影响

在屋盖同步测压风洞实验的基础上,该文采用CQC法对沈阳综合体育馆大跨屋盖进行了较为准确的空间风振分析,重点分析了多个空间振型对屋盖有代表结点动位移根方差响应的贡献,得到该体育馆的最大参振振型为40阶;并连同SRSS方法一起,详细讨论了振型交叉项对动位移根方差响应的影响,对屋盖结构不同的结点和不同的参振振型,振型交叉项可使响应增加或减少,在考虑足够多的参振振型数以后,振型交叉项对动位移较大的结点影响很小。     

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。     

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。     

国家体育场屋盖结构风振响应的时域分析

以国家体育场大跨屋盖结构风振响应的计算分析为研究对象,提出了在时域内计算振型能量参与系数的方法,并采用振型能量累积参与系数选择主导振型;提出了利用主导振型响应的协方差计算结构节点的方差响应以及峰值因子的方法。计算结果表明,基于振型时程积分法的风振响应计算方法及响应统计分析方法既显著提高了计算效率又保证了计算结果的精度。     

岩棉夹芯金属屋面板的阻尼性能研究

岩棉夹芯金属板广泛应用于大跨度屋盖结构中,其弱刚度和阻尼性能会改变屋面脉动风荷载特性并影响屋盖结构的风振性能,但目前在设计中还鲜有考虑。对岩棉夹芯材料的拉压强度、弹性模量和泊松比等基本力学参数进行了测试。采用振动梁法进行了岩棉夹芯材料的阻尼性能试验,根据试验结果拟合得到了其损耗因子-频率曲线。进一步对一块0.4m×2m的典型跨度岩棉夹芯屋面板的阻尼特性进行数值分析,运用模态应变能法计算出该屋面板各阶模态下的损耗因子。结果表明,岩棉夹芯金属屋面板的模态损耗因子可高达0.5,其中垂直屋面板主振型的最小损耗因子都接近0.2,说明屋面板的阻尼效应在结构风振分析中不容忽视。     

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。     

大跨圆拱屋盖结构的风致响应分析

大跨屋盖特征值问题的求解是结构动力响应分析中最繁琐的一个环节，而且一些对结构响应贡献较大的高阶模态容易在传统的模态叠加法中被忽略。本文以典型的大跨圆拱屋盖为例，将里兹向量直接叠加法应用于屋盖系统特征值问题计算和风致响应分析，其特点是在误差逼近的基础上自动生成一组正交的里兹向量并用于缩减系统自由度数。与传统模态叠加法算得的结果相比，里兹向量直接叠加法只用很少数目的向量就可以得到较精确的结果，而且高阶模态的贡献不会被忽略。该方法不仅大幅度地减少了机时，而且提供了动力分析的误差估计。     

单层平面索网幕墙结构的风振响应特性分析

建筑幕墙单层平面索网结构属于风敏感结构,目前对该类结构风振响应的相关研究很少,有必要深入开展其抗风性能的研究。以索网在平均风荷载作用下到达的新平衡位置为基准,采用频域法对其风振响应特性进行研究,主要分析了组合振型的选择、模态间的耦合效应等问题对索网结构风振响应的影响。分析结果表明,对单层索网结构进行风振响应分析宜考虑模态间的耦合效应;索网的第一阶模态在所有模态中占较大比重;对索网结构起主要贡献的振型集中分布在低阶模态区域内;采用部分低阶振型组合计算索网的响应与时域结果吻合较好,能满足工程精度要求。     

单层平面索网幕墙结构的实用抗风设计方法研究

通过对比建筑结构等效静力风荷载研究的主要分析方法,结合单层索网结构的风振响应特性,采用第一阶振型惯性力近似表达脉动风对应的等效风振力,推导了单层索网结构等效静力风荷载的解析表达形式,并给出了相应的荷载风振系数的显式表达式。分析过程中引入了一些重要参数简化计算,如引入调整系数来考虑更精确的多阶振型组合效应以及索网的几何非线性因素的影响;引入转换系数来反映由于采用与频率无关的相干函数代替与频率相关的相干函数所导致的偏差等。在单层索网幕墙结构的工程常用参数范围内,采用较合理的计算方法,如正交设计方法,对这些参数进行了系统分析,提出了可供工程设计参考实用抗风设计方法。工程算例分析表明,该文的抗风设计方法与动力分析结果吻合较好。     

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.     

干扰条件下煤棚结构风致干扰特性研究

邻近煤棚及内部煤堆的干扰导致干煤棚结构的风致响应特性非常复杂.基于刚性模型风洞试验的结果,采用平稳激励下随机振动的模态叠加法(CQC法)计算了干煤棚结构的风致响应.研究了有(无)干扰条件下干煤棚的风致响应特性.首先分析了无干扰状态下煤棚结构的风致响应,指出当风向与正方向偏向30°～45°时峰值响应出现最大绝对值.接着定义了位移峰值干扰因子,研究了不同风向时,在外界干扰及不同风场影响下干扰效应的特点,指出了干扰效应比较显著的情况.同时发现尽管存在干扰很大的情况,但对于起控制性的工况,外界干扰的存在仅仅使最大峰值响应相对无干扰时略为增大.     

单层球面网壳结构风致响应计算的块里兹向量法

单层球面网壳结构自振频率密集，且高阶模态可能对结构的风致响应有较大贡献。利用传统模态叠加法计算结构风致响应时需截取较多的模态，导致计算效率较低。本文提出的块里兹向量法所生成的向量都是被荷载所激发的，因此仅使用少数向量即可获得准确的响应结果。块里兹向量迭代所需的多荷载模式可以利用本征正交分解（POD）技术获得，这种技术将脉动风压场分解为与时间无关的协方差模态以及与空间位置无关的主坐标。根据风洞实验同步测量的风压数据，利用本文计算了0．1和0．2矢跨比的单层球面网壳的风致响应。通过与传统模态叠加法计算结果的对比分析说明了本文方法的有效性。     

单层平面索网结构风振响应的几何非线性特性研究

单层索网体系具有刚度小，质量轻，阻尼小等特点，对风荷载较为敏感，目前对该结构体系风振响应分析的相关研究很少，我国现行幕墙规范相关设计方法也不完善，深入研究索网结构的抗风性能显得尤为迫切。本文以线性自回归模型模拟脉动风速，采用随机模型时程分析方法计算索网的风振响应，探讨考虑不同脉动风速空间相干函数对分析结构风振响应的影响，着重研究在3种索网分析模式下的动力时程响应特征，以及在静力荷载作用下索网的非线性程度，分析结果表明：采用与风频率相关的空间相干函数进行索网的响应分析更合理；索网在平均风荷载作用下达到平衡位置后，在脉动风荷载作用下的非线性程度较弱，可以近似作为线性结构处理，因此可以平均风荷载作用下的平衡位置作为基准，采用频域方法分析单层平面索网的风振响应，这为下一步系统地研究点支式幕墙单层平面索网结构的抗风设计方法奠定基础。     

单层网壳结构风振响应的主要贡献模态识别

网壳结构具有频谱分布密集、振型复杂的动力特性，在对该类结构进行风振响应分析时，通常存在着一些对响应贡献较大的高阶振型，但由于其频率较高而容易被忽略。因此，研究网壳结构风振响应的主要贡献模态分布规律有利于提高结构风振响应计算的精度和效率。本文利用Ritz-POD法，分析了单层球面网壳和单层柱面网壳结构风振响应的主要贡献模态，着重考察了主要贡献模态的自身参振能力。及其与脉动风压空间分布模式之间的关系。在此基础上，初步给出了网壳结构风振响应的主要贡献模态识别准则。