大跨柔性屋盖结构的空气动力失稳研究

张拉薄膜结构是风敏感结构，在风力作用下易导致空气动力失稳。这种索膜结构属于强几何非线性结构，计算分析中还存在很多问题。同时屋盖为多自由度结构，传统上用于节断模型分析的邓哈-托肯驰振临界风速判别式不再适用。鉴于此，本针对大跨索膜屋盖的结构特点，采用体型系数表示的平均风气动力模型，考虑风载竖向分量的影响及结构本身的非线性特性，用Newmark法和Newton Raphson法的思路，并借助ANSYS软件进行分析，得出屋盖结构发生横风向驰振时的临界风速，此方法可供实际工程进行空气动力失稳分析时参考。     

考虑流动分离时薄膜结构的气弹稳定分析

研究均匀的理想来流作用下,小垂度矩形双曲抛物面薄膜结构的气弹失稳临界风速;考虑气流在薄膜结构前缘的分离形成漩涡,在风与薄膜结构之间以及尾流中引入无限薄的漩涡层;考虑风与结构之间存在的流固耦合作用,应用流体力学中的势流理论和空气动力学中的升力面理论确定作用于薄膜表面的气动力,从而建立起薄膜结构的气弹动力耦合作用方程。由于此耦合作用方程为带有积分的微分方程,很难得到解析解,利用Bubnov-Galerkin近似方法将其转化为一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、薄膜结构的几何尺寸和形状以及两个方向上的预张力有关。最后,对临界风速的影响因素进行参数分析,得到一些结论。     

封闭式单向张拉膜结构气弹失稳机理研究

在均匀流场中进行了封闭式单向张拉膜结构气弹模型风洞试验,考察了膜预张力和来流风速对结构振幅、振动模态和总阻尼比的影响,以及膜面位移与膜上方流场的频谱相关性,分析了封闭式膜结构的气弹失稳机理,给出了气弹失稳无量纲临界风速。研究结果表明：低风速下(无量纲风速小于1.2时),流场中的旋涡主频远低于结构基频,结构以受迫振动为主;随着风速增大,流场中出现与结构2阶反对称模态频率接近的旋涡,导致结构发生以2阶模态大幅振动为特征的涡激共振,且在无量纲风速不小于1.2 的风速范围内出现振动锁定现象,结构总阻尼比迅速衰减接近0。由此可认为,封闭式膜结构的气弹失稳由涡激共振引起,结构振幅的突然增大、主导振动模态的突然改变以及总阻尼比的突然减小为其主要特征;气弹失稳无量纲临界风速约为1.2。     

悬索屋盖结构抗风动力性能的风洞实验研究

本文根据所推导的悬索屋盖结构气弹模型相似条件，对悬索屋盖结构在风荷载作用下动力笥能进行了气弹模型风洞实验。研究了各种结构参数对其气动性能的影响，给出了结构位移随风速变化的曲线。     

单向张拉膜结构气弹模型试验研究

在均匀流场中进行开敞式单向张拉膜结构气弹模型风洞试验,研究膜结构的流固耦合机理。研究表明：膜的气弹失稳主要由涡激共振引起,膜结构在风荷载作用下变形到平衡位置并围绕该平衡位置进行振动,特定风速下,流体流经平衡位置会产生旋涡。低风速下,膜以一阶模态为主振动,流场中没有任何旋涡;超过一定风速后,振动中出现了某高阶模态的响应,流场中也出现了与该阶模态主频接近的旋涡;随着风速的增大,旋涡的主频与该阶模态频率的差别越来越小进而变化到相等,后又变化到差别越来越大,导致该阶模态的共振响应越来越弱直至消失;随着风速的继续增大,旋涡的频率会与膜的其他阶模态基频接近,导致结构发生其他阶模态的涡激共振。这种涡激共振是一种周期性振荡式失稳,结构的无量纲第一临界风速约为0.84,第二临界风速约为2.27。     

基于薄膜大挠度理论的张拉平面膜结构气动稳定性分析

基于冯·卡门薄膜大挠度理论,采用达朗贝尔原理,结合势流理论和薄翼型理论,建立了张拉平面膜结构在风荷载作用下的非线性气动耦合控制方程,并利用伽辽金法对其进行求解.对其解的稳定性进行判断,得到结构发散失稳的临界风速.通过算例,分析了结构各参数对失稳临界风速的影响.分析表明,张拉平面膜结构气动稳定性受多个参数共同控制,合理控制双向跨度和预张力是提高其气动稳定性的主要手段.     

苏通大桥气弹模型气动失稳分析

大跨柔性桥梁气弹模型在风荷载作用下会产生明显的竖向、侧向位移和附加攻角。推导气弹模型实测位移修正表达式,对苏通大桥气弹模型高风速时实测位移进行修正,对比分析修正前后差异。绘制了苏通大桥主跨跨中断面、1/4断面和边跨跨中3个典型断面扭转中心的运动轨迹,分析其特点,对苏通大桥气弹模型气动失稳现象进行解释。基于随机搜索方法和随机子空间方法识别得到的模态参数,对苏通大桥气弹模型进行复模态颤振分析。分析结果表明:苏通大桥气弹模型可视为一种非常规索网复合系统,其气动失稳振动表现为保持平衡状态的竖向、侧向和扭转耦合滚动,扭转频率成分在竖弯和侧弯振动中参与很多,而竖弯和侧弯频率成分在其他两种振动中参与很少。     

索膜屋盖结构横风向共振响应的时程分析方法

索膜屋盖结构的横风向共振问题与以往研究的高层 /高耸结构的横风向共振问题有较大区别。本文根据索膜屋盖结构的受力特点 ,发展了一种适合大跨索膜结构非线性横风向风振响应计算分析的方法 ,利用Newmark法和Newton Raphson法的思想推导了索膜结构在横风向风荷载作用下 ,结构的非线性动力增量平衡方程 ,并提出如何判别结构发生横风向共振的方法。文中还对有关参数的取值进行了讨论。最后本文利用ANSYS程序对某算例进行分析 ,得到其发生横风向共振时的风速     

缆索承重桥并列索尾流致气弹失稳研究

为了研究表面粗糙度和雷诺数对并列索尾流致气弹失稳的影响规律,以圆心间距为4D(D为圆柱直径)的双圆柱为研究对象,通过风洞试验,在风向角α=0°～20°、雷诺数Re=18000～168800,研究下游圆柱发生尾流失稳的起振条件、振动幅度及运动轨迹等振动特性,分析增大阻尼比对尾流失稳的减振效果,探讨了圆柱表面粗糙度和雷诺数对尾流失稳的作用效应。研究表明,下游圆柱在不同的风向角及风速条件下会出现尾流驰振和尾流颤振2种气弹失稳形式;增大阻尼比对尾流驰振有明显的减振效果,但对尾流颤振的影响较小。尾流致气弹失稳有明显的雷诺数效应,随着雷诺数的增大,下游圆柱的振动形式会由尾流驰振转变为尾流颤振。增加上游圆柱表面粗糙度对下游圆柱气弹失稳的影响较小;而增大下游圆柱表面粗糙度,则会明显降低下游圆柱出现尾流失稳的可能性,并会使发散性振动转变为“限幅限速”振动。     

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.     

西堠门大桥成桥状态的非线性静风稳定性分析

根据国内外风洞模型试验成果,在强静风荷载作用下,大跨径桥梁静力失稳的临界风速可能低于动力失稳的临界风速,因此对大跨悬索桥进行静风稳定性分析不可或缺。以西堠门大桥为工程背景,考虑静风荷载的非线性和悬索桥结构的几何非线性,然后运用增量和迭代相结合的计算方法,利用大型有限元ANSYS软件和现有的文献资料对该大桥成桥状态的静风稳定性进行分析,并与线性分析方法进行了比较,为大跨度悬索桥的抗风设计提供了一定的参考。     

随机风荷载下双层网壳屋盖的矩稳定分析

为研究双层网壳屋盖各杆件在随机风荷载下的二阶矩稳定性,首先基于随机稳定理论,将杆件横向振动模拟为以振幅和相位角表示的二维马尔可夫过程,推导了杆件风致随机失稳边界方程;然后根据测压模型风洞试验结果拟合了网壳屋盖各杆件的风荷载功率谱,代入随机失稳边界方程可实现对各杆件的风致随机稳定性进行评价。数值计算结果表明,双层网壳屋盖的二阶矩稳定性受到风向、平均风速和杆件截面尺寸和弹性模量的影响。     

漩涡脱落引起的悬索桥耦合颤振分析

对由漩涡脱落引起的悬索桥耦合颤振进行分析。采用动网格,将流体、结构和动网格三者形成的耦合系统方程用任意拉格朗日-欧拉形式表示,并采用带有预测值的序列交错法求解该耦合系统。以塔科马大桥为例,采用弹簧类比方法建立动黏性流体网格,对由漩涡脱落引起的大桥耦合颤振进行分析,得到大桥发生扭转气弹失稳和弯曲气弹失稳的临界风速,找出大桥气弹失稳的规律,结果与试验结果符合良好。证明该方法对漩涡脱落引起的悬索桥耦合颤振分析的正确性和有效性。     

设置粘滞阻尼器网架结构的风振响应分析

建立大跨平屋盖网架结构数值模拟分析模型,施加风洞模型试验获得的屋盖节点风压时程,分析附加粘滞阻尼器对屋盖结构风致振动响应减振效果,结果表明,附加粘滞阻尼器对大跨网架结构的风致振动响应可取得较好的减振效果;阻尼器布置数量增多,屋盖结构风致振动响应减振效果增强,但受阻尼器布设位置影响,距离较远时效果减弱。非线性阻尼器减振效果优于线性阻尼器,随着阻尼指数的增加减振效果减弱。     

无内环索支结构-索承式膜屋盖方案研究

在考虑覆膜效应基础上,对无内环支结构整体模型进行协同找形研究,同时给出了协同找形步骤,并论证了找形结果的正确性。最后,对结构进行了静力分析、参数化分析以及动力特性分析。结果表明:索承式膜屋盖具有抵抗外荷载的能力,但考虑膜面排水、褶皱以及单片膜面的面积,该类屋盖适用于中小型跨度结构;膜材自重、泊松比以及边索预应力对索承式膜屋盖影响较小,而膜材的弹性模量和初始预张力对膜屋盖的影响较大;结构的振型主要表现为上、下振动并伴随平面索桁架的局部扭转,因此对整体结构受力并无不利影响。     

鞍形索网非线性振动计算方法研究

研究了鞍形索网屋盖振动时的受力特点,在连续性薄膜理论的基础上建立了矩形鞍形索网非线性振动的平衡微分方程,采用能量法推导出了鞍形索网的非线性自振频率的解析表达式,讨论并分析了激励幅值和索网拱度对索网的自振频率的影响,并得到各参数与自振频率的关系曲线,结果表明：激励幅值与索网拱度都是自振频率的增函数。     

流固耦合作用下膜结构振动频率研究

膜结构由于自身的特殊性,其流固耦合作用较为明显。考虑到流固耦合问题的复杂性,采用简化气弹模型对其进行简化计算,并对薄膜在静风和来流风作用下的振动频率进行数值分析研究。对于开敞式薄膜结构,以升力面理论为基础,通过涡格法近似求解开敞式薄膜的振动频率;对于封闭式薄膜结构,基于势流理论建立空气与结构相互耦合的动力平衡方程,通过边界元与有限元方法求解封闭式薄膜结构振动频率。采用上述方法的计算结果与已有试验结果对比表明:所采用的分析方法适合于膜结构振动频率分析。通过对开敞式和封闭式薄膜在来流风下的振动频率特性进行研究可知,附加质量是影响薄膜结构振动频率的主要因素,附加质量随风速增大而增大,从而导致振动频率下降;封闭式薄膜的附加质量大于开敞式薄膜的附加质量,而开敞式薄膜的振动频率却没有比封闭式的大,这说明气承刚度对封闭式薄膜振动频率的影响不可忽视。     

大跨索穹顶屋盖结构风洞试验及敏感风速研究

大跨索穹顶屋盖结构频率密集,其风振动力响应复杂,不同风速下脉动风响应对大跨索屋盖结构的风敏感性影响一直是当前风工程研究的热议难题。针对大跨索穹顶屋盖结构,设计制作了缩尺比为1∶250的试验模型,在B类地貌下开展了36组风洞测压试验,研究了全风向角下大跨索穹顶屋盖结构的风压峰值分布规律和典型不利风向角,最后基于风洞试验数据,探究了索穹顶屋盖在不同风速等级下的风振敏感性。结果表明：索穹顶屋盖主要以承载负风压为主;屋面以承载Z向负风振位移响应为主,呈现中心区域向周边下降的变化规律;屋面Z向风振位移响应随风速增大而递增,平均风响应随风速增大呈线性递增;部分风速等级下索穹顶屋盖的脉动风位移响应和总极值位移响应敏感,且风振系数较大;结构屋面响应最大点处风压系数时程傅里叶变换幅值在结构前10阶部分频段为峰值,表明索穹顶屋盖结构存在敏感风速范围,其脉动风响应显著,且与结构模态自振特性密切相关,抗风设计时应找出敏感风速范围,并对响应显著区域加强抗风设计。     

大跨度梯形钢屋架双坡屋盖风振响应和风振系数研究

基于随机振动理论,在频域内采用风力谱分析法进行大跨度梯形钢屋架双坡屋盖随机振动分析,用Davenport风速谱计算屋盖的风振响应和风振系数.讨论基本风压、屋盖跨度、屋盖重量、阻尼比、地貌类别和支座约束等参数对风振系数的影响,利用参数分析的结果,归纳出大跨度梯形钢屋架双坡屋盖风振系数实用公式.     

基于流固耦合的屋盖空间结构气弹模型数值风洞模拟

为研究烟台潮水机场主屋盖钢结构在风荷载作用下的真实风致响应并探索气弹模型与刚性模型体型系数计算结果的差异,开展了基于流固耦合技术以及ADINA软件的屋盖空间钢结构气弹模型数值风洞模拟。介绍了数值风场在屋盖结构附近的风场流线图;计算了气弹模型在数值风场中的变形云图与最大位移数据;基于流固耦合分析所得的结构风致响应研究了主屋盖风振系数取值;比较了气弹模型与刚性屋盖模型在屋盖表皮主要节点处体型系数计算数值的差异。研究表明:基于流固耦合的数值风洞模拟技术有助于更直接地把握结构真实风致响应规律;在主体结构刚度不同时,体型系数的计算取值将有一定的差异。