基于Ritz-POD的大跨屋盖结构风振响应分析和风效应静力等效方法

大跨屋盖风振响应中的多振型参与特性,及由此导致的多目标等效静风荷载问题,一直是大跨屋盖结构风工程研究和工程应用十分关注的问题。对作者及合作者近年来在该方面的研究工作所取得的进展进行了总结,并加以发展。利用POD分解得到本征模态表达的脉动风荷载空间分布形式,确定与荷载分布形式对应的Ritz向量,即主导模态;推导脉动风响应中背景响应和共振响应的数学表达式,给出背景响应与共振响应间的相关性分析方法;根据结构风振响应特性,以风荷载主要本征模态和结构主导振型惯性力构造多目标等效静风荷载的基本向量,利用最小二乘法得到基本向量的最优组合系数,从而得到针对多个等效目标的等效静风荷载。并通过对跨度40m的K6型单层球面网壳结构的计算验证本文方法的有效性和准确性。     

湛江新机场航站楼屋盖结构分区等效静风荷载研究

对湛江新机场航站楼屋盖结构的屋面风荷载特性和时域法风振响应特性进行研究,分别采用分区风振系数法、分区多目标法和分区约束多目标法计算屋盖结构的等效静风荷载。结果表明：屋盖表面平均风压主要表现为负压,在垂直于风向角的屋盖迎风前缘负压最大,距离迎风前缘越远风压逐渐减小,脉动风压变化规律与平均风压基本相同。屋盖结构最大风振响应处主要位于屋面悬挑区域,结构设计时需重点关注该区域的响应。分区风振系数法等效风压分布合理,但等效响应整体误差大。以少量分区脉动风压为荷载基本向量的分区多目标法等效响应整体精度高;考虑约束方程的分区约束多目标法等效响应整体精度有所下降,但分区风压变化均匀连续,等效风压分布合理,便于工程应用。     

单层折面空间网格结构风荷载特性及等效静风荷载研究

对单层折面空间网格结构的表面风压分布和风振响应特性进行研究,采用荷载 响应相关法(LRC)与惯性力法计算结构的等效静风荷载,并分析了其计算精度,结果表明：在迎风面的体育场屋盖部分,气流在经过迎风面屋盖檐口后发生明显分离,形成漩涡,此处的平均负风压和脉动风压最大;整个屋面的绝大部分表面风压都表现为负压。增加肩谷环后,结构横向刚度提高较大,结构的1阶和2阶振型由原来的结构整体水平振动变为罩棚前端内环端部的局部竖向振动;在单层折面空间网格结构的风振响应中,参与结构振动振型较多,需要考虑多阶振型影响,且参与结构振动的主要为低阶振型;在脉动风荷载作用下各振型耦合作用较小;用LRC与惯性力法得到的单层折面空间网格结构等效静风荷载,计算精度可满足工程要求。     

大跨度铁路站房屋盖结构风洞试验与等效静风荷载研究

以哈尔滨西客站站房屋盖结构为研究对象,采用刚性模型同步测压风洞试验对建筑表面的平均及脉动风荷载进行测定,结合本征正交分解技术对风压场进行重构及预测,解决了风压测点与结构有限元模型节点的不匹配问题。分别建立整体结构和屋盖结构有限元模型,利用时程分析方法考察了下部结构对风致响应的影响,研究表明下部结构会导致屋盖结构的刚度弱化,建模中忽略下部结构可能导致对屋盖结构位移和内力响应的低估。引入多目标等效静风荷载分析方法,以结构在风荷载作用下的最大动力响应为控制指标获得针对多个等效目标的静风荷载分布,并对等效结果进行了验证,结果表明该方法可以实现以少量静风荷载分布形式实现所有响应均与动力极值响应等效。     

柱壳屋盖的等效静风荷载

根据弹性恢复力的模态展开式和计算响应的拟静力公式导出产生屋盖结构最大峰值响应的等效静风荷载。给出两种计算等效静风荷载的途径,一种表示为模态等效静风荷载的加权组合,另一种表示为背景分量与共振分量的加权组合。利用同步多点压力扫描技术对一个柱壳屋盖结构进行了风洞试验。采用完全二次型组合法(CQC法)和平方总和开方法(SRSS法)计算了不同风向角下竖向位移的峰值响应,说明了模态耦合的影响。将两种途径计算的柱壳屋盖等效静风荷载分布与平均风荷载分布作了比较,分析了相应的峰值响应与平均响应。分析结果表明:许多结点的等效静风荷载远大于平均风荷载,而且脉动风效应和共振效应也应引起重视。     

凉都体育场屋盖平均风压与风振系数研究

结合凉都体育场的建筑造型和周围环境,采用Realizablek-ε湍流模型对屋盖的平均风压进行了数值模拟,得到屋盖的平均风压分布.利用MATLAB编制了线性滤波器的自回归法(AR法)的脉动风速时程模拟程序,模拟了屋盖节点的脉动风速时程;并结合屋盖的平均风压和脉动风速时程数值模拟结果,编制了时域法风振效应分析程序,分析了牛角形屋盖的风致响应规律,得出了屋盖的位移风振系数.研究了屋面荷载、平均风速、结构阻尼比等参数对牛角形屋盖风振系数的影响,得出一定偏差范围内可忽略上述参数取值偏差对牛角形屋盖风振响应影响的结论.     

大跨空间结构的多目标等效静风荷载分析方法

针对大跨空间结构风荷载空间分布复杂、多振型参与结构风振以及等效静风荷载中存在多等效目标等特点,以作者提出的单目标(即等效目标)等效静风荷载分析方法为基础,提出多目标等效静风荷载的分析方法,该方法的基本思想是:根据结构风振响应特性,选择风荷载的主要本征模态和结构主导振型惯性力作为构造多目标等效静风荷载的基本向量;根据最小二乘法,得到基本向量的最优组合系数,从而得到针对多个等效目标的等效静风荷载。该分析方法的优点是:能够再现风振响应特点,又能解决工程中的多等效目标问题。最后,将该方法应用于一单层球面网壳,结果表明:一个等效静风荷载分布形式就可以实现某一类响应(如所有节点的位移)都与动力极值响应等效,验证了本文方法的有效性和精度。     

大跨度屋盖等效静风压计算方法

为解决现有节点形式的大跨度屋盖等效静风荷载应用不便的问题,提出以分块风压方式描述的大跨度屋盖等效静风荷载计算方法。首先根据屋面风荷载分布特征进行分区处理,通过结构风致响应的快速分析,依据区域内节点的弹性恢复力得到各区域包含结构风振影响的等代风压时程,再由等代风压时程相关性和本征正交分解方法计算得到以等代风压为等效目标的分块等效静风压分布。进一步对由于区域平均处理所引起响应的偏差,提出了补偿方法并对分块等效静风压进行修正。针对不同风向等效分析所产生庞大工况数据,基于遗传算法提出一种自动筛选工况的方法,最终获取可以体现屋盖整体受风作用效应特征的最佳等效工况数据。将所提方法应用于某大型机库屋盖的等效风压计算,结果表明：采用补偿修正过的等效静风压能够较好地反映结构的风致响应特点;相比已有的节点荷载方式,分析筛选出来的少量的经过补偿处理的等效静风压工况,可以很好地重现结构的极值位移响应,验证了所提方法的有效性和可靠性。     

大跨双层屋盖结构风洞试验与风振响应研究

对南太湖湿地奥体公园复杂体型体育场双层屋盖结构进行了风荷载的风洞试验与风致动力响应研究。屋盖由高低两个开口椭圆屋面叠合而成,两屋面之间设置观光走廊。利用风洞模型试验测定了双层屋盖上下表面的平均和脉动风压时程数据。通过计算分析得到了屋盖结构局部测点的极值风压以及平均风荷载整体合力与最不利风向角。然后基于有限元方法对该屋盖进行了风振响应的动力时程分析,获得了结构风振系数、等效静力风荷载的分布图以及考虑风振效应的最不利风向等数据和结论。     

体育场悬挑屋盖空间风激动力响应和等效风荷载实用计算

本文推导了悬挑屋盖空间动力响应的理论公式,提出了等效静力风荷载实用计算方法。动力响应公式中考虑了空 间脉动风压分布和多个空间振型的贡献,且给出了显式表达式,工程应用方便;等效静力风荷载是基于惯性风荷载方法提 出的。结合等效风荷载的计算,本文利用两座体育场风洞试验的测压数据,拟合了其悬挑屋盖脉动风压谱的经验公式。经 工程算例表明,本文方法对悬挑屋盖的风振计算具有较理想的计算精度。     

多风向多目标等效静风荷载分析方法及应用

针对大跨空间结构中多振型参与风振响应特点和工程应用需要,提出针对多个风向的多目标等效静风荷载分析方法。根据所有风向的平均风荷载（或者风振响应极值）分布之间的相似性指标,将所有风向分为若干个风向区,计算各风向区的风振包络响应;在每个风向区内,选择平均风荷载分布和结构主导振型惯性力作为构造多目标等效静风荷载的基本向量,根据最小二乘法,得到基本向量的最优组合系数,从而得到针对多个风向、多个等效目标的等效静风荷载。将该方法用于某大型科技新馆,分析结果表明：根据各风向下屋面平均风压系数分布间的相关系数,36个风向角仅需分成3个风向区,且各风向区等效静风荷载作用下的静力响应与实际动力响应包络响应吻合较好,验证了所提方法的计算精度和工程应用的便利性。     

不同地貌下几个典型屋盖的风压特性

在均匀流场、市郊地貌及城市地貌中对包括双坡、球壳及柱壳的几个典型屋盖进行了风洞试验,利用同步多点压力扫描技术得到屋盖的风压数据。将分布于屋盖的局部体型系数与建筑结构荷载规范进行了比较,讨论了不同地貌及风向角对屋盖风压的影响,分析了各风向角下的绝对值最大的负局部体型系数及出现的位置。发现位于双坡屋盖的屋角、屋檐及屋脊区域的风压远大于其它区域的风压,均匀流中这些屋盖的平均风压是市郊地貌屋盖的2至3倍,而市郊地貌屋盖的平均风压又是城市地貌屋盖的2至3倍。     

大跨屋盖结构多目标等效静风荷载分析方法

针对大跨屋盖结构多振型参与风振的特点,提出一种多目标等效静风荷载确定方法。其基本思想是,分别建立多目标等效方程组和约束方程组,前者可获得与各等效目标吻合程度最好的解,后者是根据风荷载作用方向为垂直于建筑物表面的钝体空气动力学原理得到的风荷载各方向分量的关系,限制某些奇异荷载作用模式的出现,从而解决了大跨屋盖结构等效静风荷载研究中突出存在的多目标等效问题。结合两个典型大跨屋盖结构的风洞试验,对不同类型的结构响应进行了等效静风荷载分析,并将分析结果与采用单目标方法所得的结果进行对比,结果表明该方法得到的等效静风荷载作用下各类响应均与动力极值响应吻合良好,达到了以少量的等效静风荷载模式实现所有目标等效的目的,并且所得等效静风荷载分布较符合实际风荷载作用规律。     

上海铁路南站屋盖表面风压特性试验研究

对上海铁路南站结构模型进行了风洞试验,分析了该结构屋盖表面平均及脉动风压的分布规律,对比了两者的异同并指出造成这种差别的原因,比较了这一大跨度屋盖结构在无周边建筑和有周边建筑情况下屋面的风压分布特性。将极值风压系数与平均风压系数进行了比较,最后分析了屋盖表面测点风压自功率谱及互功率谱的特性。     

大跨度拱形结构等效静风荷载研究（英文）

根据计算流体动力学方法(CFD)以及有限元动力时程分析法数值模拟脉动风特性,获取脉动风速时程,并以此作为数值风洞模拟的入口边界条件.运用FLUENT对大跨度拱形结构进行脉动风作用下的结构非稳态分析,得到作用于结构的时程风压荷载.运用ANSYS进行结构的风振响应计算,分析得到基于结构风振响应时程的等效静风荷载.在此基础上提出多目标等效静风荷载加权组合系数的定义,计算获得大跨度拱形结构的多目标等效静风荷载,并验证其计算精度.研究表明,在文中方法所得等效静风荷载作用下,结构静力响应计算结果与风振动力时程响应极值吻合.     

大跨度双曲混凝土双曲组合扭壳屋盖表面风压系数试验研究

大跨度双曲混凝土组合扭壳屋盖结构具有质量轻、柔性大、阻尼小等特点,风荷载是其结构设计的控制荷载.由于建筑造型的要求,大跨度双曲混凝土屋盖结构往往具有复杂的外型,现行的荷载规范很难确定屋盖表面的风压分布,一般是通过风洞测压试验获得屋盖表面的风压.本文较为详细地介绍了具体试验方法和理论分析方法,并通过对大跨度双曲混凝土组合扭壳屋盖表面风压系数的测定和风洞试验结果的分析,说明了利用风洞试验测量其表面风荷载的必要性,得到其风压分布的复杂特征,为大跨度混凝土屋盖的结构设计提供参考.     

不同类型平屋盖结构风压分布风洞试验研究

设计普通平屋盖、设女儿墙平屋盖及设挑檐平屋盖三种刚性结构模型进行风洞试验,得到不同模型屋盖表面的平均风压与脉动风压系数,对比分析表明,女儿墙对屋面风压降低效果明显,挑檐在不同风向角下对屋面风压影响效果不同。给出了三种屋盖表面不同位置处的脉动风压谱,以及不同屋盖表面的风压谱变化规律。     

基于广义回归神经网络的大跨度球面屋盖风荷载预测及其应用

大跨度屋盖结构脉动风荷载特性复杂,一般需要通过风洞试验确定。典型屋盖的风洞试验数据的积累为相似体型屋盖结构风荷载取值提供了依据。为拓展典型屋盖风洞试验数据的应用范围,基于广义回归神经网络,结合典型球面屋盖系列风洞试验建立了大跨度球面屋盖的风荷载预测模型。其中,风荷载由平均风压系数、脉动风压系数、偏度、峰度、3个自功率谱密度参数(包括高频段衰减斜率、无量纲谱峰值和无量纲峰值频率)以及互功率谱密度相干指数8个特征参数描述。通过交叉验证和试算确定了广义回归神经网络模型中的平滑因子取值。以安庆电厂球面网壳结构为例进行了风荷载预测,通过对比预测风荷载与风洞试验得到的风振分析结果,验证了预测方法的可行性。     

国家海洋博物馆风洞试验与等效静风荷载研究

以国家海洋博物馆钢结构屋盖为研究对象,采用刚性模型同步测压风洞试验对建筑表面的平均及脉动风荷载进行测定,考察了典型风向下屋盖表面风荷载特性。建立结构整体有限元模型,利用时程分析方法获得结构在风荷载作用下的最大节点位移和杆件应力。引入多目标等效静风荷载分析方法,以结构在风荷载作用下的最大动力响应为控制指标,获得针对多个等效目标的静力风荷载分布并对等效结果进行了验证。结果表明,该方法可以实现以少量静力风荷载分布形式实现所有响应均与动力极值响应等效。     

屋盖结构分区-多目标等效静风荷载方法研究

屋盖结构造型独特各异,具有重量轻、跨度大、刚度低等特点,结构对风荷载敏感.在该类结构设计中,风荷载往往起主要控制作用.另外,结构节点杆件众多,所关心的目标响应也很多,传统的单目标等效方法难以实现对多个响应的等效.针对屋盖结构控制点不明确、等效静风荷载不确定性等特点,提出了分区-多目标方法.该方法基于屋盖结构形态及测点平...