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(wèn)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(jì)算具有多模態(tài)參與的特點(diǎn),甚至存在部分對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)貢獻(xiàn)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(jì)算還必須計(jì)及模態(tài)間耦合效應(yīng)的貢獻(xiàn)。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(dòng),振動(dòng)過(guò)程中不同位置的不同節(jié)點(diǎn)響應(yīng)不能完全保持同步,使得響應(yīng)控制點(diǎn)不明確,因此,基于結(jié)構(gòu)響應(yīng)的等效靜力風(fēng)荷載計(jì)算需要兼顧多個(gè)響應(yīng)控制目標(biāo)。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)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(jì)算提出了多種分析方法,每種方法都有其自身計(jì)算特點(diǎn)和適用條件。本文以國(guó)家體育場(chǎng)封閉屋蓋和2008奧運(yùn)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(diǎn),通過(guò)計(jì)算分析和理論推導(dǎo),對(duì)大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行了研究,主要完成以下幾個(gè)方面的工作:
　　 1.對(duì)目前結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域熱點(diǎn)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(jì)算的各種方法進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和比較,指出了各種方法存在的問(wèn)題、優(yōu)

3、缺點(diǎn)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(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題。以國(guó)家體育場(chǎng)封閉屋蓋結(jié)構(gòu)和2008年北京奧運(yùn)網(wǎng)球中心懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)為工程背景,采用上述各種方法計(jì)算其風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較,對(duì)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)這兩類(lèi)典型大跨屋蓋結(jié)構(gòu),為工程設(shè)計(jì)人員合理選取相應(yīng)的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析方法和等效靜力風(fēng)荷載計(jì)算方法提供了有價(jià)值的參

4、考意見(jiàn)。
　　 2.通過(guò)分析,指出影響不同模態(tài)對(duì)大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)貢獻(xiàn)程度的兩個(gè)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(guò)低價(jià)主要貢獻(xiàn)模態(tài)空間分布尋找風(fēng)荷載強(qiáng)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(guò)對(duì)模態(tài)響應(yīng)方差矩陣的簡(jiǎn)化處理,構(gòu)造了

5、模態(tài)參與系數(shù),依據(jù)該系數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(wèn)題。
　　 3.通過(guò)分析CQC組合和SRSS組合的相互關(guān)系,從而將模態(tài)耦合項(xiàng)分離出來(lái);通過(guò)對(duì)背景響應(yīng)耦合項(xiàng)和共振響應(yīng)耦合項(xiàng)的簡(jiǎn)化分析,推導(dǎo)了其簡(jiǎn)化表達(dá)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(guò)該系數(shù)實(shí)現(xiàn)了背景響應(yīng)模態(tài)間耦合效應(yīng)強(qiáng)弱和共振響應(yīng)模態(tài)間耦合效應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)模態(tài)耦合項(xiàng)的貢獻(xiàn)得到。算例分析結(jié)果表明,該方法簡(jiǎn)單實(shí)用,既避免了復(fù)雜的CQC組合計(jì)算又計(jì)及了模態(tài)間耦合效應(yīng),具有較高的計(jì)算效率,能夠滿足大跨屋蓋結(jié)構(gòu)工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)的要求。
　　 4.針對(duì)大跨屋蓋結(jié)構(gòu)等效靜力風(fēng)荷載計(jì)算中需要兼顧多個(gè)響應(yīng)控制目標(biāo)的特點(diǎn),提出了由靜力風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能與脈動(dòng)風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能極值相等來(lái)確定等效靜力風(fēng)荷載分布的思想,其