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大跨度屋盖结构随机风致振动响应精细化研究

作　者: 潘峰
导　师: 孙炳楠
学　校: 浙江大学
专　业: 结构工程
关键词: 大跨度屋盖结构风荷载特性风洞试验频域分析法时域分析法双POD模型等效静力风荷载雷暴冲击风风致响应风振系数
分类号: TU312.1
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

大跨度空间结构的发展状况是一个国家建筑科技水平的重要标志之一。随着我国经济和文体事业的快速发展,各种造型优美、结构新颖的大跨屋盖被广泛应用于航空港、体育馆、展览馆等公共建筑中,以获得尽可能大的无内柱空间,但这类屋盖具有质量轻、柔度大、阻尼小、自振频率低且密集等特点,属于风敏感结构,风荷载成为控制结构设计的主要荷载之一。由于大跨屋盖结构与来流之间复杂的气动特性,至今还没有建立一套成熟通用的大跨屋盖风荷载及风致响应的理论框架。本文将从风荷载特性及风洞试验、结构风致动力响应频域和时域分析法、等效静力风荷载及结构雷暴冲击风致响应等方面对现有大跨度屋盖结构的风致响应的理论和方法进行精细化的深入研究和发展。本文的工作主要包括以下几个方面:1、屋盖风荷载特性及风洞试验的研究。在总结大气边界层风场特性的基础上,详细描述了几种常用的脉动风速模拟方法。通过算例研究,分析比较了AR法和Shinozuka-Deodatis法各自不同的特点。并对某一大跨度飞机候机大厅屋盖进行了刚性模型风洞试验,获得了结构表面的风压。同时,对结构表面平均及脉动风压系数随风向角变化的等值分布规律、表面关键测点平均及脉动风压系数随风向角变化的特性、关键测点脉动风压概率分布特点及极值风压估计等方面进行了细致的分析研究,得到了一些共性的规律。2、屋盖结构风致动力响应频域分析法的研究。鉴于传统频域法需进行准定常假设及计算时采用的CQC法存在计算效率低下等问题,提出了一种修正的频域法:直接采用风洞试验得到的风压数据并利用POD法建立了屋盖整体风压模型,然后利用快速傅立叶变换转化为风压谱,在精确拟合屋盖计算点风压功率谱的基础上,利用虚拟激励法获得屋盖结构的风致响应。该修正法计算效率较高且抛弃了准定常假设,得到的结果具有较高的可靠性。3、屋盖结构风致动力响应时域分析法的研究。提出了两种适合大跨度屋盖结构风致响应计算的时程积分方法。首先,直接利用风洞试验数据,并结合多阶模态力法和模态解耦原理,提出多模态显式积分法。该法具有很好的稳定性和较高的计算效率,非常适合求解大跨度屋盖这种高阶模态作用比较显著结构的动力响应问题。其次,鉴于随机振动离散法存在计算需不断进行矩阵迭代的问题,结合精细时程积分法的优点,提出多模态随机离散精细积分法。利用这两种方法对屋盖结构的风致响应和风振系数进行了分析比较研究,得出了一些可供设计参考的有益结论。4、基于双POD模型大跨屋盖风致响应的研究。风荷载的准确模拟是结构进行风致动力响应分析的第一步,而以往的方法无法同时建立顺风向、横风向、竖直向三维相关随机风场的数学模型。利用双POD模型和蒙特卡罗模拟法,详细描述了空间相关三维风场的数值模拟方法,结合多阶模态加速度法的原理,在时域内推导了一套基于双POD原理的随机风致响应计算方法,并研究了屋盖表面风振系数的分布特性。5、大跨屋盖结构等效静力风荷载的研究。采用LRC法和等效惯性风振力相结合的办法来确定大跨度屋盖结构的等效静力风荷载。为了突破背景和共振响应SRSS组合必须假定参振模态之间能够很好分离这一缺陷,提出了共振响应的修正方法,对于引入一个模态耦合系数来修正由于不考虑模态交叉项对计算带来的误差。通过拱形屋盖体系和大跨度平屋盖体系两种不同的屋盖形式,详细研究了不同屋盖结构体系的等效静力风荷载。6、大跨屋盖结构雷暴冲击风致响应的研究。雷暴冲击风是一种短时间产生的瞬态强风,形成的实质是大气不稳定能量的快速释放,且不满足目前常用的湍流边界层风剖面的特性。利用混合随机模型,研究了雷暴冲击风风场的数值模拟方法:应用竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟平均风场;使用稳态高斯随机过程模拟冲击风脉动风场。在对单自由度系统雷暴冲击风致响应研究的基础上,计算得到了屋盖结构冲击风致动力响应时程,研究了冲击风作用下大跨屋盖风振系数的分布特点,得出了一些重要的结论。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第一章绪论  14-46
  1.1 大跨度屋盖结构风洞试验研究  15-22
    1.1.1 刚性模型风洞试验研究  16-20
    1.1.2 气弹模型风洞试验研究  20-22
  1.2 大跨度屋盖结构风致响应理论分析研究  22-30
    1.2.1 屋盖结构整体风荷载模型的建立  22-24
    1.2.2 屋盖结构风荷载数值模拟方法  24-26
    1.2.3 结构动力响应频域分析法  26-27
    1.2.4 结构动力响应时域分析法  27-29
    1.2.5 雷暴冲击风特点及结构冲击动力风致响应  29-30
  1.3 大跨度屋盖结构等效静力风荷载研究  30-35
    1.3.1 阵风荷载因子法(GLF法)  30-32
    1.3.2 惯性风荷载法(IWL法)  32-33
    1.3.3 LRC法+惯性风荷载法(LRC-IWL法)  33-35
  1.4 目前研究中存在的问题  35-37
  1.5 本文研究的背景和主要内容  37-39
    1.5.1 本文研究的背景  37
    1.5.2 本文研究的主要内容  37-39
  参考文献  39-46
第二章大跨度屋盖结构风荷载特性及风洞试验研究  46-73
  2.1 大气边界层风场特性  46-51
    2.1.1 平均风的特性  47
    2.1.2 脉动风的特性  47-51
  2.2 脉动风速模拟方法研究  51-60
    2.2.1 AR法模拟脉动风速  53-55
    2.2.2 Shinozuka-Deodatis法模拟脉动风速  55-57
    2.2.3 计算实例及分析  57-60
  2.3 大跨度屋盖刚性模型风洞试验研究  60-70
    2.3.1 工程简介  60-61
    2.3.2 模型制作与测点布置  61-62
    2.3.3 试验设备  62
    2.3.4 风场模拟及试验工况  62-64
    2.3.5 风压测试方法  64
    2.3.6 平均、脉动风压系数分布  64-67
    2.3.7 脉动风压的概率分布特性与极值风压分析  67-70
  2.4 本章小结  70-71
  参考文献  71-73
第三章大跨度屋盖结构风致动力响应频域分析法  73-99
  3.1 频域法的基本原理  73-80
    3.1.1 气动力的构造  73-74
    3.1.2 广义模态力功率谱的计算  74-76
    3.1.3 结构动力响应完全二次结合CQC法的推导  76-78
    3.1.4 结构动力响应虚拟激励法  78-79
    3.1.5 传统频域法评述  79-80
  3.2 修正的频域分析法  80-90
    3.2.1 基于POD法的屋盖整体风压模型的建立  81-86
    3.2.2 屋盖测点风压谱的拟合  86-90
  3.3 数值算例分析  90-95
    3.3.1 屋盖风致响应研究  91-92
    3.3.2 屋盖风振系数分布研究  92-95
  3.4 本章小结  95-97
  参考文献  97-99
第四章大跨度屋盖结构风致动力响应时域分析法  99-128
  4.1 结构动力时程响应计算理论  99-104
    4.1.1 Newmark-β法  99-102
    4.1.2 改进的显式积分法  102-104
  4.2 大跨屋盖风致响应多模态显式积分法  104-117
    4.2.1 多阶模态力法  104-105
    4.2.2 多模态显式积分法  105-107
    4.2.3 修正风振系数的推导  107-108
    4.2.4 数值算例与风洞试验  108-110
    4.2.5 四周封闭屋盖风致响应与风振系数分布  110-113
    4.2.6 突然开孔屋盖风致响应与风振系数分布  113-117
  4.3 大跨屋盖风致响应多模态随机离散精细积分法  117-125
    4.3.1 水平向与竖直向风荷载特性  117-119
    4.3.2 随机振动离散分析基本理论  119-120
    4.3.3 水平脉动风速的滤波生成  120
    4.3.4 竖向脉动风速的滤波生成  120-121
    4.3.5 随机风振响应的模态解耦方程  121-122
    4.3.6 动力响应精细时程积分法  122-123
    4.3.7 数值算例:四周封闭屋盖风振系数分布  123-125
  4.4 本章小结  125-126
  参考文献  126-128
第五章基于双POD模型的大跨屋盖风致响应分析  128-153
  5.1 基于主分量的湍流模型  128-135
    5.1.1 湍流描述  128-130
    5.1.2 协方差主分量  130-132
    5.1.3 频谱主分量  132-135
  5.2 基于双POD法的三维风场数值模拟  135-146
    5.2.1 频谱主分量功率谱密度矩阵的描述  135-136
    5.2.2 三维风场双POD分解方法描述  136-138
    5.2.3 高耸结构三维风场数值算例分析  138-142
    5.2.4 大跨结构三维风场数值算例分析  142-146
  5.3 基于双POD法的大跨屋盖风致响应分析  146-150
    5.3.1 风致响应多阶模态加速度法  146-148
    5.3.2 数值算例分析:四周封闭屋盖风振系数分布  148-150
  5.4 本章小结  150-151
  参考文献  151-153
第六章大跨度屋盖结构等效静力风荷载研究  153-196
  6.1 等效静力风荷载复杂性及基本概念  153-162
    6.1.1 大跨度屋盖等效静力风荷载分析的复杂性  153-155
    6.1.2 大跨度屋盖等效静力风荷载理论的基本概念  155-162
  6.2 常用等效静力风荷载分析方法的对比研究  162-173
    6.2.1 阵风荷载因子法  163-164
    6.2.2 惯性风荷载法  164-167
    6.2.3 LRC法+惯性风荷载法  167-171
    6.2.4 算列比较研究  171-173
  6.3 大跨度屋盖等效静力风荷载分析方法研究  173-182
    6.3.1 考虑模态耦合作用结构共振响应表达式的推导  173-182
  6.4 大跨度屋盖等效静力风荷载实际算例研究  182-192
    6.4.1 拱形屋盖体系等效静力风荷载研究  182-186
    6.4.2 大跨度平屋盖体系等效静力风荷载研究  186-192
  6.5 本章小结  192-194
  参考文献  194-196
第七章大跨度屋盖结构雷暴冲击风致响应研究  196-226
  7.1 雷暴冲击风的风场特性  196-205
    7.1.1 雷暴冲击风的流场模型  199-200
    7.1.2 混合随机模型-平均风合成  200-203
    7.1.3 混合随机模型-脉动风合成  203-205
  7.2 单自由度系统冲击风致响应参数化研究  205-215
    7.2.1 冲击风致响应求解  205-206
    7.2.2 湍流强度对冲击风致响应的影响  206-208
    7.2.3 最大风速半径对冲击风致响应的影响  208-211
    7.2.4 运动偏移距离对冲击风致响应的影响  211-213
    7.2.5 冲击阵风移动速度对冲击风致响应的影响  213-215
  7.3 大跨度屋盖结构雷暴冲击风致响应研究  215-222
    7.3.1 屋盖结构冲击风风速时程的模拟  215-216
    7.3.2 风压系数的获得  216-217
    7.3.3 大跨屋盖冲击风致响应及风振系数系数研究  217-222
  7.4 本章小结  222-223
  参考文献  223-226
第八章结论与展望  226-233
  8.1 本文工作的创新点  226
  8.2 本文工作总结  226-231
    8.2.1 大跨度屋盖结构风荷载特性及风洞试验研究  226-227
    8.2.2 大跨度屋盖结构风致动力响应频域分析法  227-228
    8.2.3 大跨度屋盖结构风致动力响应时域分析法  228-229
    8.2.4 基于双POD模型的大跨屋盖风致响应分析  229
    8.2.5 大跨度屋盖结构等效静力风荷载研究  229-230
    8.2.6 大跨度屋盖结构雷暴冲击风致响应研究  230-231
  8.3 进一步研究工作的展望  231-233
致谢  233-234
作者简历及作者在攻读博士学位期间取得的科研成果  234

大跨度屋盖结构随机风致振动响应精细化研究

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