基于风压谱的大跨屋盖结构抗风设计理论研究与应用

发布时间：2020-09-28 20:51

　　大跨度屋盖结构近年来已被广泛应用于大型基础设施、文化体育场所之中,由于其抗风设计理论的发展滞后于工程实践,结构抗风设计是这类结构设计建造中的重点和难点。尤其是这类结构在风的作用下展现出复杂的空气动力效应,风荷载的时频特性难以用解析的形式表达。加之这类结构往往具备空间受力特点,使得结构的自振频率较为密集,在风荷载作用下的高阶模态贡献突出,模态耦合效应显著,无疑都增加了风振响应分析和等效静风荷载估计的难度。在近十几年来的研究和实践中,国内外学者和工程人员积累了大量针对典型大跨屋盖结构以及工程项目的抗风研究数据和方法,但仍缺少系统的整理、比较和分析,使得这些数据和方法在表达形式上过于复杂,难以被工程设计人员所掌握,无法直接有效地为工程实践提供指导。本文在综合考察时域和频域分析在抗风设计理论研究中的特点的基础上,认为频域方法在形成规范体系、数据库应用方面具有巨大的潜力。基于这个想法,结合大量典型大跨屋盖结构的风洞试验数据,从频域角度对屋盖表面的脉动风压进行了定量化研究,重点探讨了不同特征湍流作用下的风压谱模型参数的变化规律,建立了风压谱模型参数与风振响应和等效静风荷载的联系,提出了一套基于风压谱的大跨屋盖结构抗风设计理论。主要工作内容包含几个方面:(1)在对五种典型大跨屋盖(平屋盖、悬挑屋盖、柱面屋盖、球面屋盖、鞍形屋盖)的1730组工况18048个样本的风洞测压数据进行频谱分析的基础上,总结出一种形式统一的风压谱工程模型。该模型的参数既能够定量描述特征湍流作用下的脉动风压场特性,具有较为明确的物理意义,又具有合理稳定的分布范围,为后续的应用奠定了基础。(2)结合自然激励的滤波表示法,将风压谱工程模型应用于结构风振响应分析中,建立风压谱模型参数与结构风振响应的联系,提出了一种高效、精确的大跨屋盖结构风振响应算法。在探讨模态组合方法对计算精度影响的基础上,提出了一种简化的CQC方法及简化原则,以在保证计算精度的基础上提高计算效率。(3)基于对等效静风荷载概念的理解,从频域角度探讨背景、共振效应的内涵,推导出“点状刚性”结构的基准等效静力状态,并建立其中的背景、共振效应系数与风压谱模型的联系,提出了“阵风响应包络法”以表达大跨屋盖结构的等效静风荷载。(4)对上述五种典型大跨屋盖的不同的空间网格结构形式,进行了23940组工况的参数化风振响应分析,考察了屋盖几何特征、来流条件及结构参数对背景及共振效应系数的影响。并通过统计分析,总结了典型屋盖结构等效静风荷载的取值建议。(5)在上述研究的基础上,结合工程设计人员和抗风研究人员在大跨屋盖结构抗风设计中的基本任务,开发了相关的软件功能模块,并将其集成为大跨屋盖结构抗风设计软件(WRDS)。其中,将风压谱建模作为一种高效的风洞试验数据预处理及数据压缩手段,并将风压谱模型参数作为数据训练及预测、风振响应分析、等效静风荷载估计、随机模拟等功能模块的重要输入参数,为大数据时代大跨屋盖结构的智能化抗风设计发展奠定了基础。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU352.2
【部分图文】：

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(a) 工况数 (b) 样本数图 2-3 典型大跨屋盖风洞试验工况及样本数统计图Fig.2-3 Statistics of wind tunnel cases and samples for typical large-span roofs(a) case statistics (b) sample statistics本文考察了平屋盖、悬挑屋盖、柱面屋盖、球面屋盖及鞍形屋盖五种典型的大跨度屋盖形式（如图 2-2），对不同几何尺寸、来流条件的风洞试验数据进

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【参考文献】