大跨屋盖的完全三分量等效静力风荷载Refined three components method for determining equivalent static wind loads of large span roof

惯性风荷载法物理意义不明确,传统三分量叠加法忽略背景‐共振耦合效应,本文提出一种完全三分量的等效静力风荷载方法。利用完全三分量方法研究了开孔屋盖的等效静力风荷载,研究结果表明,阵风荷载因子法除在等效节点处有较好的精确性外,其他非等效节点处的等效静力风荷载均偏离正常分布,不适宜求解大跨屋盖等效静力风荷载;完全三分量法具有明显物理意义,其背景部分可采用全模态的L RC法实现,比截断模态的惯性风荷载法更加精确;忽略背景‐共振耦合效应的传统三分量法低估等效静力风荷载10％左右,完全三分量法可考虑背景‐共振耦合效应,相应于传统三分量法更加精确。     

大跨屋盖结构考虑模态耦合的等效静力风荷载

基于荷载响应相关法提出了一种计算大跨屋盖结构等效静力风荷载的新方法. 该方法不 再分别计算结构的背景响应和共振响应，而是采用完全二次型组合法直接计算结构的整体动 态响应；而且这种方法能够考虑多阶模态的贡献和各阶模态响应间的耦合效应. 最后，将一 大跨屋盖结构(深圳市民中心)作为实际工程应用案例，计算了它的等效静力风荷载，并将 其与其他方法的计算结果进行比较，以验证方法的有效性.     

大跨屋盖的完全三分量等效静力风荷载

惯性风荷载法物理意义不明确,传统三分量叠加法忽略背景-共振耦合效应,本文提出一种完全三分量的等效静力风荷载方法。利用完全三分量方法研究了开孔屋盖的等效静力风荷载,研究结果表明,阵风荷载因子法除在等效节点处有较好的精确性外,其他非等效节点处的等效静力风荷载均偏离正常分布,不适宜求解大跨屋盖等效静力风荷载;完全三分量法具有明显物理意义,其背景部分可采用全模态的LRC法实现,比截断模态的惯性风荷载法更加精确;忽略背景-共振耦合效应的传统三分量法低估等效静力风荷载10%左右,完全三分量法可考虑背景-共振耦合效应,相应于传统三分量法更加精确。     

开槽对大跨悬挑平屋盖结构风荷载的影响

本文结合一大跨悬挑平屋盖模型的风洞试验研究，分析了此类结构屋盖的平均局部体型系数和极值局部体型系数的分布特性；并根据其风压的分布特性，提出在悬挑屋盖承受较大负压的屋檐和角点附近这些遇强风易发生破坏的部位采取开槽气动抗风措施，进一步研究了该气动抗风措施对大跨悬挑平屋盖结构风荷载的影响，试验结果显示，它们可以有效地削减屋盖风敏感处的风荷载值，使平均局部体型系数大约降低50％，极值局部体型系数大约降低25％，所得的这些结果对于结构的抗风设计有一定的指导意义。     

群集建筑中大跨裙摆屋盖风荷载特性的数值模拟研究

以苏州太平金融大厦为工程背景,针对其大跨裙摆屋盖的风荷载作用,首先采用RNG k-ε模型模拟分析了其平均风压分布规律,以及风向变化对屋盖表面风荷载体型系数的影响;其次,引入干扰因子IF,探讨了周边建筑对大跨裙摆屋盖风荷载的气动干扰作用。结果表明:0°风向下,走廊上方屋盖两侧区域出现“上吸下顶”的叠加作用;90°风向下屋盖北侧飘带末端区域受到狭道风效应出现正压集中现象;风向变化对大跨裙摆屋盖的风荷载体型系数分布影响较大;且周围建筑物对大跨裙摆屋盖的气动干扰效应明显,主要表现为风压“遮挡效应”,而局部区域表现为风压“放大效应”。     

块Lanczos法在大跨屋盖风致响应中的应用

提出块Lanczos向量直接叠加法分析大跨屋盖结构的风致响应.将适用于单个初始荷载向量的Lanczos方法推广到由多个初始荷载向量线性组合的一般动力荷载情况.由于不仅Lanczos块内的向量之间相互正交,而且Lanczos块之间也相互正交,屋盖结构的运动方程变换为块三对角矩阵的带状形式.这个途径不仅便于有效地应用时间域逐步积分解法,而且便于应用频率域解法.对脉动风荷载作用下的屋盖结构,多个初始荷载向量可应用本征正交分解得到.它将风压场分解为主坐标与协方差模态的组合,主坐标仅依赖时间而协方差模态仅依赖空间位置.根据圆拱顶屋盖模型风洞试验得到的风荷载,采用块Lanczos法、一般的Lanczos法以及传统的模态叠加法计算了屋盖竖向位移响应.对块Lanczos法的精度及效率作了讨论.     

双曲面屋盖的平均风压特点

通过风洞模拟实验对双曲面形屋盖的平均风荷载特点进行了研究.文中给出了屋盖的平均风荷载随风向角改变的变化特点和规律,特别讨论产生这些特点的原因及其流动机理.结果表明,在所有风向角下,双曲面屋盖除了在位于下游的边缘的挑檐位置外,都是负压分布.局部负压最大值主要出现在迎风挑檐的边缘部分.虽然屋盖的局部负压峰值随风向角改变,位置和数值变化都很大,然而,作为屋盖整体,平均风压平均值随风向角的变化很小.有关结果为类似建筑项目的风荷载设计和相应规范的制定和修改提供了有用的信息和材料.     

大跨屋盖结构风振响应主要参振模态确定方法研究

合理选取主要参振模态是保证大跨屋盖结构风振响应计算精度的关键问题。本文以模态空间分布与风荷载空间分布相关性强弱作为选取主要参振模态的依据,考虑到屋盖结构表面风荷载分布的不确定性,提出了通过低阶主要贡献模态间接寻找风荷载强相关高阶模态的思想,首先实现对高阶参振模态数量的缩减。在此基础上,结合低阶参振模态,通过对模态响应方差矩阵的简化处理,构造了其等效矩阵,根据等效矩阵中对角线元素定义了模态参与系数,通过该系数能够方便的实现对主要参振模态的选取。最后,通过国家体育场屋盖主结构的风振响应分析对所提出方法的有效性进行了验证。     

考虑跃迁的指数型炸药空爆荷载等效静载动力系数

为对比抗爆设计规范采用的线性荷载计算模式,建立了考虑跃迁的指数型衰减荷载表达式,通过爆炸荷载等效单自由度微分方程,求解了关于跃迁时长、超压峰值、指数型形状调整参数、结构自振频率与荷载作用时长的等效静载抗力动力系数表达式。根据跃迁时长与形状调整参数,分析了四种典型计算工况,结果表明:现行结构抗爆设计规范等冲量线性衰减荷载可设计范围明显偏小,动力系数在延性比β<3.0下偏保守,而β≥3.0,wt_+>1.4δ时偏不安全,最大偏低17.4%;跃迁时长比值越大,动力系数越大,跃迁时长比为1%～2%时,对动力系数影响程度为0.4～0.7%,指数型荷载形状调整参数对柔度特别大的结构动力系数无影响,对其它结构动力系数增大或减少影响程度不一。     

高层建筑标准模型风效应的阻塞效应试验研究

对一组阻塞比为1.7%～10.9%的高层建筑标准模型在均匀低湍流强度风场和均匀高湍流强度风场中进行了多点同步测压试验,研究了不同风场下阻塞效应对高层建筑风致响应和等效静力风荷载的影响。结果表明:当阻塞比不大于4.5%时,可以忽略高层建筑风致响应和等效静力风荷载的阻塞效应;当阻塞比大于4.5%时,在均匀低湍流强度风场中,高层建筑的风致响应和等效静力风荷载均随阻塞比的增大而增大;在均匀高湍流强度风场中,湍流强度的增大不同程度地削弱了阻塞效应的影响。基于试验结果,提出了高层建筑顶部平均位移、位移均方根和加速度均方根的阻塞效应修正公式,可应用于修正等效静力风荷载,修正效果较好。     

连拱式大跨悬挑屋盖抗风气动措施研究

本文对连拱式大跨度悬挑屋盖进行了数值风洞试验,分别探讨了在屋盖悬挑前缘增设通风孔、导流板以及同时布设导流板与通风孔这三种气动措施对悬挑屋盖表面风荷载的影响及其作用机理．研究结果表明,同时布设导流板与通风孔的综合气动措施,能显著影响屋盖结构前缘气流的分离,从而减小屋盖的表面风压,并可减弱屋盖的风致振动．在此类屋盖结构设计中,运用综合气动措施可有效降低屋盖整体的升力系数与弯矩系数,对该类屋盖抗风设计较为有利．     

阻尼对空爆荷载等效静载动力系数的影响

为考查阻尼参数对空爆荷载等效静载动力系数的影响,理论推导了空爆荷载下结构等效单自由体系弹塑性位移解及延性比解,设计并计算了阻尼比0.000 1～0.1、延性比1～4的20种典型工况的动力系数,并与现行抗爆设计规范动力系数公式结果进行了对比。结果表明:阻尼比小于0.000 1时可基本代表无阻尼状态,阻尼比0.01的动力系数比无阻尼的最大降低幅度为2.08%,数值差异很小,因此阻尼比为0.01以内时,可忽略阻尼对动力系数的影响;阻尼比0.05的动力系数比无阻尼的降低幅度约9.92%,数值差异较大,认为阻尼比0.05以上时将具有明显的经济效益;现行设计规范动力系数更适用于柔性结构体系,运用于刚性结构抗爆设计时,计算误差较大,对阻尼比较小的结构设计更不利。     

大跨脊谷式索膜航站楼风荷载特性风洞试验研究

脊谷式索膜屋盖因其独特的曲面造型,屋面的风压分布复杂,风敏感性强烈。为深入研究这种屋面的风荷载特性,基于岳阳三荷机场航站楼大跨脊谷式索膜屋盖缩尺模型风洞测压试验,研究了大跨度索膜屋盖的风压分布特性。试验结果表明,脊谷式屋盖风压以负风压为主,屋盖角区部分极值风压较大且变化梯度大,其他部位的极值风压较为平稳。随跨度增大,角部区域风压极值明显大于规范取值。根据屋盖体型及风压分布试验结果,对屋盖进行了局部区域划分,并给出了区域体型系数建议值。     

基于虚拟激励法的空间网格结构风致抖振响应分析

基于虚拟激励法理论,推导了空间网格结构的抖振响应计算公式,公式中自动包含了激励之间的非完全相关性、振型之间耦合项的贡献。根据虚拟激励法直接求解出位移均方根的特点,推导了适用于多振型参振的脉动风等效静力荷载及相应的荷载风振系数计算公式。在此基础上,利用Matlab编制了相应的计算程序,并进行了算例验证与分析。算例分析验证了本文理论及程序的正确性,也表明本文方法具有很高的计算效率。本文工作为进一步系统研究大跨网格结构的风振随机响应打下了良好的基础。     

带TLD结构基于Davenport谱随机风振响应分析和风荷载取值的复模态法

对带TLD控制系统的高层建筑随机风振响应和等效静态设计风载取值问题进行了系统研究。针对主体结构用第一振型展开所得方程为非经典阻尼和非对称结构运动方程,用复模态理论解耦,并利用随机振动理论获得结构风振响应解析式,建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系随机风振响应的解析解,获得了带TLD结构基于现行规范Davenport谱随机风振响应和等效静态设计风载的解析解,并给出算例,从而建立了非经典阻尼非对称被动控制结构基于Davenport谱随机风振响应和风载取值的一般解析方法。由于获得解析解,故本文方法可用于带TMD、TLD等结构基于动力可靠度约束的抗风优化设计。此外,由于建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,利用等效单自由度体系与抗震反应谱的关系,本文方法还可用于非经典阻尼非对称被动控制结构基于抗震反应谱的地震作用取值。     

用于多种夹层板等效的有限元分析法

针对夹层板力学性能解析法难于计算复杂结构的夹层板且通用性差的问题,本文采用有限元分析法研究了夹层板性能的等效方法。对夹层板的代表体单元模型施加位移约束,模拟弯曲变形时线性独立的应变分量和弯曲内力;根据夹层板内力与应变的本构关系,求出刚度矩阵;最后由刚度矩阵得出宏观等效弹性常数,从而把夹层板等效成连续材料的单层板单元。将该方法与解析法计算结果进行比较得到的夹层板单元四个主要弹性常数误差在0.2%以内,验证了该方法的有效性;另外采用该方法等效三种典型结构夹层板,比较实际模型和等效模型的弯曲响应,得到的误差均在1.4%以内,表明该方法在不考虑复杂多变的夹芯结构时具有通用性。     

空间异型双曲面钢屋盖缺陷稳定性分析及试验研究

南通体育会展中心钢屋盖为空间异型双曲面,结构高跨比和矢跨比均较小,稳定性分析是其设计中的一个关键问题。本文在体育馆缩尺模型试验基础上,对其钢屋盖结构进行了几何非线性和双非线性稳定分析,分别采用实测缺陷法、一致缺陷模态法、改进随机缺陷法考虑结点位置偏差缺陷的影响。结果表明：实测缺陷法双非线性分析结果是评估体育馆屋盖结构实际安全性的重要依据;一致模态法的临界荷载概率可靠度较低。通过改进随机缺陷法,对该屋盖结构的稳定性能有了比较全面的认识,并定量分析了设计临界荷载和一致模态法分析的临界荷载的可靠性。     

大跨径悬索桥空气静力和动力分析的影响因素研究

随着悬索桥跨径的增大,缆索直径以及作用在其上的风荷载、风与结构相互作用的非线性效应以及风速空间分布的非均匀性都将显著增强。以润扬长江大桥为背景,进行了缆索风荷载、风与结构相互作用的非线性效应以及风速空间非均匀分布等因素对大跨径悬索桥空气静力和动力特性影响的数值分析。分析结果表明:这些因素对大跨径悬索桥空气静力特性的影响比较大;但是对于空气动力稳定性而言,风与结构相互作用的非线性效应的影响比较显著,而其它两个因素则基本没有影响。     

移动荷载下多孔饱和地基的动力有限单元法

分析了匀速荷载作用下多孔饱和地基的动力响应.通过对Biot动力方程进行变换,将基本方程变换到随荷载移动的运动坐标系中,通过加权残值法推导了相应的"拟静力"单元刚度矩阵,从而建立了移动问题的有限元格式,将动力学问题转化为"拟静力"问题."拟静力"单元或称为移动单元并不是连续介质上的实际单元,而是在连续介质上随着移动荷载运动的虚拟单元.文中考虑了荷载的移动速度对多孔饱和地基中位移及应力的影响,并与解析解作了对比,以说明本方法具有较好的精度.     

桩的静力荷载传递计算新方法简介

本文简要介绍用改进的传递函数法计算桩的位移、轴向压力、摩阻力、桩端阻力和其它静力受荷性能.推导出了一个运用简单积分的具体计算方法,使得许多复杂因素如分层土中各层土的不同特性、土参数随深度的变化,桩混凝土弹性模量在不同荷载下的变化,甚至不等截面桩,都能方便地考虑和计算,为桩的正确计算提供了理论基础.文中给出了静载试验实测结果,并同传递函数法计算值进行了比较,两者结果基本一致.