大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)隨機(jī)風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)精細(xì)化研究.pdf

1、大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展?fàn)顩r是一個(gè)國(guó)家建筑科技水平的重要標(biāo)志之一。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和文體事業(yè)的快速發(fā)展，各種造型優(yōu)美、結(jié)構(gòu)新穎的大跨屋蓋被廣泛應(yīng)用于航空港、體育館、展覽館等公共建筑中，以獲得盡可能大的無內(nèi)柱空間，但這類屋蓋具有質(zhì)量輕、柔度大、阻尼小、自振頻率低且密集等特點(diǎn)，屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要荷載之一。由于大跨屋蓋結(jié)構(gòu)與來流之間復(fù)雜的氣動(dòng)特性，至今還沒有建立一套成熟通用的大跨屋蓋風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng)的理論框架。本文將從風(fēng)荷載

2、特性及風(fēng)洞試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)頻域和時(shí)域分析法、等效靜力風(fēng)荷載及結(jié)構(gòu)雷暴沖擊風(fēng)致響應(yīng)等方面對(duì)現(xiàn)有大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)的理論和方法進(jìn)行精細(xì)化的深入研究和發(fā)展。本文的工作主要包括以下幾個(gè)方面： 1、屋蓋風(fēng)荷載特性及風(fēng)洞試驗(yàn)的研究。在總結(jié)大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)特性的基礎(chǔ)上，詳細(xì)描述了幾種常用的脈動(dòng)風(fēng)速模擬方法。通過算例研究，分析比較了AR法和Shinozuka-Deodatis法各自不同的特點(diǎn)。并對(duì)某一大跨度飛機(jī)候機(jī)大廳屋蓋進(jìn)行了剛性模

3、型風(fēng)洞試驗(yàn)，獲得了結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓。同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)表面平均及脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角變化的等值分布規(guī)律、表面關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)平均及脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角變化的特性、關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓概率分布特點(diǎn)及極值風(fēng)壓估計(jì)等方面進(jìn)行了細(xì)致的分析研究，得到了一些共性的規(guī)律。 2、屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)頻域分析法的研究。鑒于傳統(tǒng)頻域法需進(jìn)行準(zhǔn)定常假設(shè)及計(jì)算時(shí)采用的CQC法存在計(jì)算效率低下等問題，提出了一種修正的頻域法：直接采用風(fēng)洞試驗(yàn)得到的風(fēng)壓數(shù)據(jù)并利用POD法建立了

4、屋蓋整體風(fēng)壓模型，然后利用快速傅立葉變換轉(zhuǎn)化為風(fēng)壓譜，在精確擬合屋蓋計(jì)算點(diǎn)風(fēng)壓功率譜的基礎(chǔ)上，利用虛擬激勵(lì)法獲得屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)。該修正法計(jì)算效率較高且拋棄了準(zhǔn)定常假設(shè)，得到的結(jié)果具有較高的可靠性。 3、屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)時(shí)域分析法的研究。提出了兩種適合大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算的時(shí)程積分方法。首先，直接利用風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合多階模態(tài)力法和模態(tài)解耦原理，提出多模態(tài)顯式積分法。該法具有很好的穩(wěn)定性和較高的計(jì)算效率，非常適合求

5、解大跨度屋蓋這種高階模態(tài)作用比較顯著結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)問題。其次，鑒于隨機(jī)振動(dòng)離散法存在計(jì)算需不斷進(jìn)行矩陣迭代的問題，結(jié)合精細(xì)時(shí)程積分法的優(yōu)點(diǎn)，提出多模態(tài)隨機(jī)離散精細(xì)積分法。利用這兩種方法對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)和風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行了分析比較研究，得出了一些可供設(shè)計(jì)參考的有益結(jié)論。 4、基于雙POD模型大跨屋蓋風(fēng)致響應(yīng)的研究。風(fēng)荷載的準(zhǔn)確模擬是結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析的第一步，而以往的方法無法同時(shí)建立順風(fēng)向、橫風(fēng)向、豎直向三維相關(guān)隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)的數(shù)

6、學(xué)模型。利用雙POD模型和蒙特卡羅模擬法，詳細(xì)描述了空間相關(guān)三維風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬方法，結(jié)合多階模態(tài)加速度法的原理，在時(shí)域內(nèi)推導(dǎo)了一套基于雙POD原理的隨機(jī)風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算方法，并研究了屋蓋表面風(fēng)振系數(shù)的分布特性。 5、大跨屋蓋結(jié)構(gòu)等效靜力風(fēng)荷載的研究。采用LRC法和等效慣性風(fēng)振力相結(jié)合的辦法來確定大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的等效靜力風(fēng)荷載。為了突破背景和共振響應(yīng)SRSS組合必須假定參振模態(tài)之間能夠很好分離這一缺陷，提出了共振響應(yīng)的修正方法，對(duì)于引

7、入一個(gè)模態(tài)耦合系數(shù)來修正由于不考慮模態(tài)交叉項(xiàng)對(duì)計(jì)算帶來的誤差。通過拱形屋蓋體系和大跨度平屋蓋體系兩種不同的屋蓋形式，詳細(xì)研究了不同屋蓋結(jié)構(gòu)體系的等效靜力風(fēng)荷載。 6、大跨屋蓋結(jié)構(gòu)雷暴沖擊風(fēng)致響應(yīng)的研究。雷暴沖擊風(fēng)是一種短時(shí)間產(chǎn)生的瞬態(tài)強(qiáng)風(fēng)，形成的實(shí)質(zhì)是大氣不穩(wěn)定能量的快速釋放，且不滿足目前常用的湍流邊界層風(fēng)剖面的特性。利用混合隨機(jī)模型，研究了雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬方法：應(yīng)用豎直風(fēng)剖面方程與Holmes經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M平均風(fēng)場(chǎng)：使用