大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)隨機風(fēng)致振動響應(yīng)精細化研究.pdf

1、大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展?fàn)顩r是一個國家建筑科技水平的重要標志之一。隨著我國經(jīng)濟和文體事業(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，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、結(jié)構(gòu)風(fēng)致動力響應(yīng)頻域和時域分析法、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)的理論和方法進行精細化的深入研究和發(fā)展。本文的工作主要包括以下幾個方面： 1、屋蓋風(fēng)荷載特性及風(fēng)洞試驗的研究。在總結(jié)大氣邊界層風(fēng)場特性的基礎(chǔ)上，詳細描述了幾種常用的脈動風(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。并對某一大跨度飛機候機大廳屋蓋進行了剛性模

3、型風(fēng)洞試驗，獲得了結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓。同時，對結(jié)構(gòu)表面平均及脈動風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角變化的等值分布規(guī)律、表面關(guān)鍵測點平均及脈動風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角變化的特性、關(guān)鍵測點脈動風(fēng)壓概率分布特點及極值風(fēng)壓估計等方面進行了細致的分析研究，得到了一些共性的規(guī)律。 2、屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致動力響應(yīng)頻域分析法的研究。鑒于傳統(tǒng)頻域法需進行準定常假設(shè)及計算時采用的CQC法存在計算效率低下等問題，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，在精確擬合屋蓋計算點風(fēng)壓功率譜的基礎(chǔ)上，利用虛擬激勵法獲得屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)。該修正法計算效率較高且拋棄了準定常假設(shè)，得到的結(jié)果具有較高的可靠性。 3、屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致動力響應(yīng)時域分析法的研究。提出了兩種適合大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)計算的時程積分方法。首先，直接利用風(fēng)洞試驗數(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)的動力響應(yīng)問題。其次，鑒于隨機振動離散法存在計算需不斷進行矩陣迭代的問題，結(jié)合精細時程積分法的優(yōu)點，提出多模態(tài)隨機離散精細積分法。利用這兩種方法對屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)和風(fēng)振系數(shù)進行了分析比較研究，得出了一些可供設(shè)計參考的有益結(jié)論。 4、基于雙POD模型大跨屋蓋風(fēng)致響應(yīng)的研究。風(fēng)荷載的準確模擬是結(jié)構(gòu)進行風(fēng)致動力響應(yīng)分析的第一步，而以往的方法無法同時建立順風(fēng)向、橫風(fēng)向、豎直向三維相關(guān)隨機風(fēng)場的數(shù)

6、學(xué)模型。利用雙POD模型和蒙特卡羅模擬法，詳細描述了空間相關(guān)三維風(fēng)場的數(shù)值模擬方法，結(jié)合多階模態(tài)加速度法的原理，在時域內(nèi)推導(dǎo)了一套基于雙POD原理的隨機風(fēng)致響應(yīng)計算方法，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，對于引

7、入一個模態(tài)耦合系數(shù)來修正由于不考慮模態(tài)交叉項對計算帶來的誤差。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)是一種短時間產(chǎn)生的瞬態(tài)強風(fēng)，形成的實質(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。利用混合隨機模型，研究了雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場的數(shù)值模擬方法：應(yīng)用豎直風(fēng)剖面方程與Holmes經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍M平均風(fēng)場：使用