大跨环形空腹索桁结构风振响应分析

发布时间：2020-05-14 20:35

【摘要】：大跨环形空腹索桁结构具有单位重量轻、跨度大、施工方便的优点,特别适用于大型体育场建筑。由于其柔性较大,在风激作用下易产生较大的振动和变形,风荷载是该种结构设计中的重要控制荷载,处理不当会造成工程结构损伤和破坏,带来重大损失。但我国规范只有针对竖向悬臂型结构的风振公式,对大跨结构没有涉及。目前,大跨环形空腹索桁结构风振响应相关的研究成果较少。本文围绕环形空腹索桁结构的风振响应特性进行了一系列研究,建立了该结构的等效静力响应表达式,为该结构的抗风设计提供了参考。本文主要研究内容和成果如下:运用奇异值分解技术,获得环形空腹索桁结构的初始内力分布,确定其初始构型。建立铰接杆系结构的平衡矩阵,通过其秩判定结构能否施加预应力。推导环形空腹索桁结构的可行预应力,得到其初始内力分布后建立有限元模型。通过计算其静荷载下的位移,验证结构有限元模型的适用性。使用Fluent模拟结构表面风压分布,获得环形空腹索桁结构的体型系数。基于线性滤波器法中的AR模型,在MATLAB中编程模拟具有空间相关性的脉动风速时程。采用Fourier变换获得其模拟风速谱,与目标谱对比以验证模拟效果。最后运用Fluent进行风压数值模拟,从而得到结构上表面各节点所在分区的风荷载体型系数,实现从风速时程到风荷载时程的转换。给出环形空腹索桁结构基于响应的风振系数。运用ANSYS分析结构的自振频率、振型及阻尼等动力特性,并在时域内求解其风振响应,获得结构各节点的位移时程和各单元的内力时程。介绍峰值因子的理论公式,结合环形空腹索桁结构的基频,建议峰值因子取4.1。将响应风振系数概念用于环形空腹索桁结构设计,基于响应时程的均值和根方差,算出CC型(内外环均为圆形)结构的整体位移风振系数为2.05,整体内力风振系数为1.48。建立环形空腹索桁结构等效静风响应的表达式。引入非线性调整系数的概念,建立风振响应均值与平均风荷载下静力响应的关系。考虑不同结构基本风压、初始内力水平、桅杆高度、结构形状的差异,讨论上述参数变化对整体风振系数的影响。参数分析表明,增大基本风压、初始内力水平会使结构的整体风振系数减小,降低桅杆高度也有类似的效果;相对于CC型索桁结构,EE型(内外环均为椭圆)索桁结构的整体风振系数略大。风振系数的软件模拟结果与实际结构风洞试验的结论实现了较好地吻合。等效静力方法得到的位移、内力增量很好地包络了时程方法相应结果的极值,说明了等效静力方法的适用性。
【图文】：

温哥华,加拿大,会展中心

1.1 研究背景及意义作为一种备受瞩目的结构形式，大跨空间结构往往成为当地的标志性建筑，它的发展状况已经成为衡量一个国家建筑科技水平的重要标志。我国现代空间结构起步于二十世纪七、八十年代。目前，该类结构形式在体育场馆、会展中心、候车大厅、工业厂房与仓库等多种建筑中获得大量应用[1]。大跨柔性屋盖结构单位面积重量较轻，且刚度不大，属于风敏感性结构，在风激作用下易产生较大的振动和变形，风荷载通常是该类结构设计时的主要控制荷载[2][3]。结构如果抗风设计不当，可能产生过大的变形影响正常工作，甚至产生局部破坏，直至整体破坏[4]。国内外有很多这样的破坏实例。2007 年 1 月 5 日，在加拿大温哥华市，卑诗省体育馆(BC Place Stadium)圆顶突然塌陷[5]。在强风的吹动下，其中一块三角形的天顶布幕突然出现裂痕，并且迅速被强风撕开一个大洞[2]，如图 1-1所示。2005 年 9 月 28 日，台风“达维”袭击海南三亚，撕破了三亚美丽之冠文化会展中心的膜顶[6]，会展中心如图 1-2 所示。

会展中心,大跨度建筑,索桁结构,大跨

1.1 研究背景及意义作为一种备受瞩目的结构形式，大跨空间结构往往成为当地的标志性建筑，它的发展状况已经成为衡量一个国家建筑科技水平的重要标志。我国现代空间结构起步于二十世纪七、八十年代。目前，该类结构形式在体育场馆、会展中心、候车大厅、工业厂房与仓库等多种建筑中获得大量应用[1]。大跨柔性屋盖结构单位面积重量较轻，且刚度不大，属于风敏感性结构，在风激作用下易产生较大的振动和变形，风荷载通常是该类结构设计时的主要控制荷载[2][3]。结构如果抗风设计不当，可能产生过大的变形影响正常工作，甚至产生局部破坏，直至整体破坏[4]。国内外有很多这样的破坏实例。2007 年 1 月 5 日，在加拿大温哥华市，卑诗省体育馆(BC Place Stadium)圆顶突然塌陷[5]。在强风的吹动下，其中一块三角形的天顶布幕突然出现裂痕，并且迅速被强风撕开一个大洞[2]，，如图 1-1所示。2005 年 9 月 28 日，台风“达维”袭击海南三亚，撕破了三亚美丽之冠文化会展中心的膜顶[6]，会展中心如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU311.3

【参考文献】