大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載關(guān)鍵性問題研究.pdf

1、大跨屋蓋結(jié)構(gòu)跨度大、自重輕、自振頻率低、模態(tài)分布密集,結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)計算具有多模態(tài)參與的特點,甚至存在部分對結(jié)構(gòu)響應(yīng)貢獻較大的高階模態(tài);不同模態(tài)間的耦合效應(yīng)非常顯著,結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算還必須計及模態(tài)間耦合效應(yīng)的貢獻。另外,由于大跨屋蓋結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,多模態(tài)參與結(jié)構(gòu)振動,振動過程中不同位置的不同節(jié)點響應(yīng)不能完全保持同步,使得響應(yīng)控制點不明確,因此,基于結(jié)構(gòu)響應(yīng)的等效靜力風(fēng)荷載計算需要兼顧多個響應(yīng)控制目標(biāo)。目前,國內(nèi)外對于大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)和等效靜

2、力風(fēng)荷載計算提出了多種分析方法,每種方法都有其自身計算特點和適用條件。本文以國家體育場封閉屋蓋和2008奧運網(wǎng)球中心懸挑屋蓋為工程背景,考慮目前研究現(xiàn)狀,結(jié)合大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究特點,通過計算分析和理論推導(dǎo),對大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計中的關(guān)鍵性問題進行了研究,主要完成以下幾個方面的工作:
　　 1.對目前結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域熱點研究的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析和等效靜力風(fēng)荷載計算的各種方法進行了系統(tǒng)的總結(jié)和比較,指出了各種方法存在的問題、優(yōu)

3、缺點和適用條件,揭示大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載的物理意義和本質(zhì)特征,找出了制約大跨屋蓋抗風(fēng)設(shè)計的關(guān)鍵性問題。以國家體育場封閉屋蓋結(jié)構(gòu)和2008年北京奧運網(wǎng)球中心懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計為工程背景,采用上述各種方法計算其風(fēng)致動力響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載,并對計算結(jié)果進行分析比較,對這些方法的優(yōu)缺點和適用條件進行了驗證。針對這兩類典型大跨屋蓋結(jié)構(gòu),為工程設(shè)計人員合理選取相應(yīng)的風(fēng)致動力響應(yīng)分析方法和等效靜力風(fēng)荷載計算方法提供了有價值的參

4、考意見。
　　 2.通過分析,指出影響不同模態(tài)對大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)貢獻程度的兩個主要因素:(1)模態(tài)空間分布和結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載空間分布的相關(guān)性;(2)模態(tài)自振頻率和風(fēng)荷載主頻率的接近程度;為選取結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)主要參振模態(tài)確立了思路?？紤]到大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載空間分布的不確定性,提出通過低價主要貢獻模態(tài)空間分布尋找風(fēng)荷載強相關(guān)高階模態(tài)的思想;在此基礎(chǔ)上,結(jié)合低階模態(tài),綜合考慮結(jié)構(gòu)自振頻率的影響,通過對模態(tài)響應(yīng)方差矩陣的簡化處理,構(gòu)造了

5、模態(tài)參與系數(shù),依據(jù)該系數(shù)實現(xiàn)了對主要參振模態(tài)的精確選取,有效地解決了大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析中主要參振模態(tài)的合理選取這一關(guān)鍵性問題。
　　 3.通過分析CQC組合和SRSS組合的相互關(guān)系,從而將模態(tài)耦合項分離出來;通過對背景響應(yīng)耦合項和共振響應(yīng)耦合項的簡化分析,推導(dǎo)了其簡化表達式;引入模態(tài)應(yīng)變能的概念,定義了背景響應(yīng)和共振響應(yīng)模態(tài)耦合系數(shù),通過該系數(shù)實現(xiàn)了背景響應(yīng)模態(tài)間耦合效應(yīng)強弱和共振響應(yīng)模態(tài)間耦合效應(yīng)強弱的判斷;在此基礎(chǔ)上提

6、出結(jié)構(gòu)總的背景響應(yīng)和總共振響應(yīng)可以分別采用各自主要參振模態(tài)的SRSS組合結(jié)果再疊加強模態(tài)耦合項的貢獻得到。算例分析結(jié)果表明,該方法簡單實用,既避免了復(fù)雜的CQC組合計算又計及了模態(tài)間耦合效應(yīng),具有較高的計算效率,能夠滿足大跨屋蓋結(jié)構(gòu)工程抗風(fēng)設(shè)計的要求。
　　 4.針對大跨屋蓋結(jié)構(gòu)等效靜力風(fēng)荷載計算中需要兼顧多個響應(yīng)控制目標(biāo)的特點,提出了由靜力風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能與脈動風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能極值相等來確定等效靜力風(fēng)荷載分布的思想,其