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。     

某大型博物馆结构风致响应分析

基于刚性模型风洞试验,对一个具有索网幕墙的新型杂交结构--某大型博物馆结构进行风致响应计算.在计算平均风响应时考虑结构几何非线性的影响;分析脉动风响应时将结构近似作为线性结构处理,采用平稳激励下随机振动的模态叠加法（CQC法）进行计算.计算结果表明,当关键点出现极大值响应时,平均风响应对峰值响应的贡献较大,而且动力响应中共振响应一般大于背景响应.此外,对于关键点竖向位移及结构支座竖向反力,主要是壳体悬挑部分的风荷载起作用;而索网面位移主要由索网面上的风荷载控制,悬挑部分的风压对其影响很小.     

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。     

大跨索屋盖结构风振动力计算新方法研究

大跨索屋盖结构风振动力响应复杂,传统采用等效静力风荷载计算其风致振动响应的适用性一直是当前大跨结构研究的热点。针对下凹型(单层马鞍形索网)和上凸型(轮辐式双层索网、索穹顶、弦支穹顶)四类典型大跨索屋盖结构,以四类结构风洞试验测试数据为基础,结合最近邻点插值方法研究提出了基于节点动力风荷载(模式一)和面组分区动力风荷载(模式二)两种荷载取值计算模式及其计算流程,并与传统基于等效静力风荷载的取值计算模式(模式三)进行对比,在四种不利风向角下探究四类典型索屋盖采用三种荷载取值模式时的风致振动响应。结果表明,基于模式一与模式二计算得到的索屋盖结构风振响应均较模式三要高,采用节点风荷载的取值计算模式一能更为精确地反映屋盖结构实际承担的风荷载,有效表征屋盖结构的实际风振响应;在上下游均无临近场馆影响下,下凹型和上凸型索屋盖的平均和脉动风振位移响应云图总体分布规律较为一致,但响应大小变化规律不一,下凹型呈现中间大、周边小的逐渐递减的规律,而上凸型屋盖呈现中心区域小、中间环带大、周边再次下降的变化规律。     

风、列车作用下斜拉桥索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响

以实际大跨度斜拉桥为研究对象,研究了随机风、列车作用下发生的索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响。使用编制的动力有限元计算程序,建立了大跨度铁路斜拉桥全桥3维精细有限元模型,计算了斜拉桥全桥在风、列车动力作用下的振动响应,分析了全桥索-梁相关振动的特性。建立了列车交通荷载概率模型,根据桥位处风速统计数据资料建立了桥梁的风荷载概率模型,对拉索的应力谱进行了计算。依据损伤理论,使用Monte-Carlo方法开展了拉索在风、列车动力作用下的疲劳可靠度分析。研究结果表明:在斜拉桥日常运营状态中,风、列车作用下索-梁相关振动不会导致拉索共振,索-梁相关振动是拉索疲劳可靠性下降的主要原因;对于拉索在长期动力荷载下的疲劳失效概率,风场作用占比很小,列车作用占比较大;各个拉索的成桥状态索力影响了列车作用下的拉索应力幅,进一步影响了斜拉桥在长期动力作用下拉索的疲劳可靠性。     

玻璃幕墙中主体结构对单层索网结构风振响应的影响研究

点支式玻璃幕墙单层平面索网结构是一种较典型的风敏感结构,目前对在风荷载作用下,索网结构与主体结构的相互作用问题的研究甚少.采用随机模拟时程分析方法,通过改变主体结构特性、索网结构特性及两者的相对位置关系等多种方式,研究索网结构和主体结构共同工作时的风振响应特性,并与索网单独受力时的风振响应进行对比.分析结果表明,索网和主体结构的风振响应特性存在显著差异,在常见的工程应用参数范围内,主体结构对索网自身的风振响应影响程度较小,因此,对索网结构进行风振响应分析时可以不考虑主体结构的影响.     

支座激励下附加弹簧保护装置悬索的非线性动力分析

索网幕墙常支承于两相邻结构,动力作用将激起相邻结构产生相对变形,其作为支座激励将引起索网产生约束次内力,进而导致索网幕墙失效。在索端附加弹簧保护装置,利用弹簧装置吸收支座相对变形,可以有效减小支座运动对索网幕墙的影响。建立支座激励下附加弹簧保护装置悬索振动的动力模型,引入边界条件,求解微分方程得到频率的特征方程和振型方程,并利用多尺度法求得简谐支座激励下主共振响应的近似解和幅频响应方程。分析了附加弹簧与悬索刚度比对不同垂度悬索前三阶频率、振型和幅频响应的影响规律。该模型可有助于合理选择附加弹簧与悬索刚度比,研究表明附加弹簧保护装置可同时降低悬索最大变形和最大索力响应,从而为相邻结构间索网幕墙的减震设计提供一定参考。     

单层平面索网结构非线性频率简化计算方法研究

单层平面索网玻璃幕墙结构是广泛应用于大型公共建筑中的一种新型结构形式,由于其挠度较大,结构具有较高的几何非线性,其动力特点不同于传统的线性结构。采用连续化薄膜理论建立了单索幕墙的非线性振动方程,并采用谐波平衡法求解了结构非线性频率的解析表达式,为校核解析公式的正确性,将其计算结果同精确的有限元非线性时程方法的计算结果进行了比较,吻合很好,该解析公式具有相当高的精度。同时指出结构位移为3/2结构振幅位置处的刚度即为单索幕墙结构的等效线性刚度,采用该等效线性刚度即可得到上述非线性频率的解析表达式。此外得到的结构非线性振动方程和非线性频率为结构在动力荷载下响应的求解提供了基础。     

索网点式幕墙在主体结构多点激励下地震响应分析方法探讨

针对主体结构对单层索网点式玻璃幕墙地震响应的影响,指出了主体结构二次地震输入的纵向空间变异性,进而提出考虑主体结构影响的单层索网玻璃幕墙的地震响应分析方法,即多点激励联合法,并从理论及有限元算例分析上验证了其可行性和必要性。利用多点激励联合模型,在假设二次输入数学模型基础上,研究了主体结构二次输入参数对索网动力响应的影响,及阻尼对索网幕墙地震响应的影响,并得出结论:主体结构位移输入幅值和层间转角较大,或输入主频接近索网基本频率时,主体结构对索网幕墙位移影响较大。最后利用此方法进行算例分析对主体结构的影响大小进行了初步估计,为实际工程中索网幕墙的抗震设计提供参考。     

冲击荷载作用下单层网壳结构动力稳定性研究

针对冲击荷载不同于地震作用,而常规动力稳定性判定准则不适用问题,阐述求解冲击问题的基本理论及冲击荷载取值;据冲击荷载特性提出适合冲击碰撞问题的单层网壳结构动力稳定性判定准则;选K6型单层网壳结构模型,利用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行结构冲击作用下动力稳定性分析,通过大量算例,分析其在不同冲击物质量比及速度作用下全过程动力响应,结合动力响应模式获得冲击荷载作用下单层网壳动力失稳的临界能量区域,并从矢跨比、跨度、杆件截面三方面对结构进行参数分析。结果表明,基于网壳动力响应模式与冲击能量相结合方法对单层网壳进行动力稳定性判定合理;结构刚度越小,冲击作用下动力稳定性越差;加大主肋利于提高结构动力稳定性。     

单层索网体系非线性自振特性研究

刚性结构通常采用“Rayleigh法”的线性化方法近似计算结构的基频，但是单层索网体系属于非线性预应力体系，其自振频率会随着振幅发生变化。通过分析结果表明，当节点质量较大时，用假定惯性荷载的方法计算的误差较大；“Rayleigh法”计算索网频率是基于微幅振动的假定，不能反映其振幅较大时的自振特性。本文采用连续化理论，推导了单层索网体系第一、二阶非线性自振频率近似公式，并将计算结果和瞬态分析结果进行对比，两者吻合较好。非线性自振特性的研究对于单层索网体系在风荷载作用下的响应分析具有十分重要的意义。     

多层交通荷载下非对称一体化地下结构的动力响应

地下结构在交通荷载作用下的动力响应对其运营期的安全稳定有重要影响。为了探究大断面非对称一体化地下结构在多层交通荷载作用下的动力响应特征,依据工程典型断面建立有限元模型,模拟施加路表、市政、轨道三层交通荷载,分析了非对称一体化地下结构的振动响应和应力分布特征,探究了多层交通荷载共同作用产生的结构动力响应叠加规律。结果表明：非对称一体化结构的振动响应在市政交通层的左幅顶板中部最大,达0.5～0.7 m/s²,动应力在轨道交通层底角处最大,达0.08～0.10 MPa;地铁列车荷载是结构动应力的主要影响源,但土钉支护与桩基支撑能够有效降低动应力的影响;作用于地面的车辆荷载会对一体化结构的振动响应产生较显著影响,运营期应重点关注位于地面车辆行驶密集路段的结构。研究结果可为地下非对称一体化结构的优化设计、运营期养护提供参考。     

点式幕墙单层索网谐波地震响应的几何非线性研究

摘 要：预应力平面单层索网是几何非线性较强的柔性张拉结构,由索中预拉力及几何非线性提供平面外刚度,在静力平衡位置预应力刚度较小,荷载作用下结构发生较大变形,因而产生了较大的几何刚度。针对几何非线性对此结构受力特性影响的重要性,对结构几何非线性作了定量分析,提出了几何非线性因子的概念;采用几何非线性时程分析方法,探讨了影响不同几何非线性的单层索网的谐波地震响应。分析结果表明,索网长宽比及索预应力对几何非线性影响较大;单层索网动力响应存在峰值共振偏移现象;并指出峰值共振频率不同于结构的线性自振频率和非线性自振频率。     

超大型冷却塔风荷载时程响应及动力抗风性能分析

采用风洞实验测试和人工生成的方法分别获取某电厂220 m高超大型冷却塔达文波特风压时程数据,并基于国内规范和特征值屈曲建立了结构模型,采用有限元计算方法分析了风荷载动力抗风特性,并对结果进行了对比分析。结果表明:人工生成风压时程结构响应大于风洞实验实测风压响应,人工生成风压时程作用下整体位移和所提取单元各层壳应力均有较大幅度的波动,总体应力状态远低于混凝土强度设计值;在动力风荷载作用下,结构变形最大位置位于迎风面塔体喉部,应力最大位置位于迎风面塔体下部;基于特征值屈曲建立的结构模型整体变形大于国内规范建立模型变形值。研究成果可为超大型冷却塔表面风荷载取值和相关技术规范修订提供参考。     

K8型单层球面网壳爆炸动力响应的简化计算方法研究

根据哈密顿原理,基于拉格朗日方程提出了适用于简支梁和K8型单层球面网壳爆炸动力响应计算的理论分析模型。首先,利用该方法获得了简支梁在三角形爆炸荷载作用下的动力响应,其简支梁跨中的振动规律、峰值位移与速度以及系统的动能和内能等结果与有限元分析极为接近。继而将该方法推广到K8型单层球面网壳在三角形爆炸荷载作用下的动力响应计算,探讨了网壳杆件变形函数中广义位移参数数量和荷载峰值对响应结果的影响及规律。基于理论计算结果与LS-DYNA有限元分析的误差分析,对理论分析模型进行了改进,总结了该理论方法在网壳结构爆炸响应计算上的适用性。     

风荷载下单层柱面网壳的动力稳定

以一单层柱面网壳为例,利用Budiansky-Roth准则研究空间结构在风荷载下的动力稳定性。介绍了Budiansky-Roth准则,通过风洞试验获得单层柱面网壳上的风荷载并研究其动力稳定性,讨论了初始几何缺陷、风向角和风压系数的影响,并将动力失稳分析结果与我国规范和阵风响应因子法（GRF法）计算动力响应导致结构破坏的方法作了比较。研究结果表明,空间结构进行风荷载下的稳定性设计时有必要研究其在风荷载下的动力稳定性。     

基于有限振动信号的某移动天线有限元风荷载动力反应分析

提出了一种现场实测的有限振动信号与结构有限元模型模拟分析相结合的方法来获得结构（天线）在实际风荷载作用下的动力反应,即首先测试结构在脉动风荷载作用下的有限振动信号,如：加速度时程和频谱曲线,然后通过结构运动方程模拟出脉动风荷载时程并施加到结构有限元模型中,通过有限元计算求出模拟风荷载与实际风荷载之间的修正系数k,最后把修正后的风荷载时程再次施加到有限元模型中进而得出结构在实际脉动风荷载作用下的内力。通过比较,有限元分析结果与试验结果吻合较好,为结构在脉动风荷载作用下的全过程反应分析提供了一种简便方法。     

高铁列车运行作用下燃气管涵结构动力响应分析

以京张高铁跨越某燃气管涵为例,建立混凝土防护刚构-土体-燃气管涵三维动力有限元模型,将三维车辆-轨道刚柔耦合动力学模型计算得到的列车荷载施加到三维动力有限元模型中,分析燃气管涵结构的动力响应特性;预测京张高铁通车后对现有燃气管涵的振动影响。计算结果表明:燃气管涵振动速度和加速度响应主要集中在0 Hz～10 Hz的低频段,燃气管涵的最大动力响应点的速度峰值仍然小于《建筑工程容许振动标准》中规定的速度最大值限值。随着车速增大,管涵的速度及加速度时域响应明显增大。京张高铁运营后设计时速列车荷载的动力作用不会对混凝土刚构结构下的燃气管涵产生显著的不利影响。     

偏心爆炸荷载下网壳结构的动力响应分析

利用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件平台建立了包含网壳杆件、檩托、檩条、铆钉、屋面板、墙体和地面在内的40m跨度精细化典型K8单层球面网壳结构有限元模型,采用流固耦合算法对结构在内部偏心爆炸荷载作用下的动力响应进行了有限元数值模拟研究,得到了网壳结构在偏心爆炸荷载作用下的四种响应模式：结构无损伤、构件塑性发展、网壳大变形、泄爆型破坏。获得了不同爆炸点位置、杆件截面、矢跨比、支承条件、屋面板厚度等参数条件下的结构动力响应结果,通过对比分析,总结了各参数对结构动力响应的影响程度与规律,为网壳抗爆防御设计提供了依据。