張拉結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算方法研究與流固耦合數(shù)值模擬.pdf

1、隨著建筑材料、計(jì)算技術(shù)、施工工藝的發(fā)展，張拉結(jié)構(gòu)由于具有較輕的質(zhì)量、良好的抗震性能、能適應(yīng)超大跨度建筑設(shè)計(jì)的要求，得以在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用。張拉結(jié)構(gòu)作為一種柔性張力體系，屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)明顯的幾何非線性特征，本身還具有獨(dú)特的氣動外形，使得對張拉結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算問題的研究異常復(fù)雜。特別是對于張拉膜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與周圍流場所形成的流固耦合效應(yīng)，更是加劇了張拉結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)與評估的難度。迄今為止，國內(nèi)外在張拉結(jié)構(gòu)考慮幾何非線性的風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算

2、方法、膜結(jié)構(gòu)考慮流固耦合效應(yīng)的瞬態(tài)數(shù)值模擬、張拉結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測方面仍處于起步探索階段。本文針對張拉結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算方法與流固耦合問題，建立了考慮幾何非線性作用的靜力等效體系；在頻域內(nèi)求解了幾何非線性體系隨機(jī)風(fēng)振響應(yīng)，并對隨機(jī)動力響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了分析；對既有的膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)，并識別了模態(tài)參數(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對開敞式膜結(jié)構(gòu)考慮流固耦合效應(yīng)的瞬態(tài)數(shù)值模擬。主要研究內(nèi)容如下： ⑴基于振型剛度系數(shù)，建立了張拉結(jié)構(gòu)考慮幾何非線性作用的靜力等

3、效體系。在此過程中，首次提出了內(nèi)力振型剛度系數(shù)的概念，并給出了用于求解張拉體系振型剛度系數(shù)的自由度釋放法。編制了用于求解幾何非線性問題振型剛度系數(shù)的程序EMSC，并采用Newton—Raphson方法對靜力等效體系進(jìn)行了驗(yàn)證。多個(gè)算例表明，在指定的振型位移范圍內(nèi)，根據(jù)振型剛度系數(shù)建立的靜力等效體系，可以準(zhǔn)確的反映結(jié)構(gòu)的荷載－位移和荷載－內(nèi)力關(guān)系。 ⑵為了求解張拉結(jié)構(gòu)考慮幾何非線性作用的隨機(jī)動力響應(yīng)，基于位移和內(nèi)力振型剛度系數(shù)所建

4、立的等效體系，在頻域內(nèi)，采用等效線性化方法，編制計(jì)算程序，迭代求解出張拉結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力隨機(jī)動力響應(yīng)。其中，首次采用統(tǒng)計(jì)矩截?cái)喾ㄓ?jì)算內(nèi)力響應(yīng)期望與均方根，該方泫解決了頻域內(nèi)張拉結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)的求解問題。通過白噪聲荷載與風(fēng)荷載的算例，分析了幾何非線性對響應(yīng)計(jì)算的影響?？梢钥闯?，基于振型剛度系數(shù)的等效線性化方法，不僅可以求解隨機(jī)風(fēng)振響應(yīng)，也可用于地震荷載的響應(yīng)計(jì)算。更進(jìn)一步推廣，對于那些需要考慮幾何非線性作用的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)計(jì)算，該方法也適用。

5、 ⑷根據(jù)背景響應(yīng)與共振響應(yīng)的時(shí)域和頻域的定義，推導(dǎo)出幾何非線性體系位移和內(nèi)力的背景響應(yīng)、共振響應(yīng)和相關(guān)響應(yīng)的計(jì)算公式，并給出了不考慮振型相關(guān)項(xiàng)的位移和內(nèi)力響應(yīng)求解方法。通過算例，一方面對上述計(jì)算公式和求解方法的可行性和合理性進(jìn)行驗(yàn)證。另一方面分析了幾何非線性對背景響應(yīng)和共振響應(yīng)的影響，并研究了振型相關(guān)項(xiàng)對響應(yīng)計(jì)算的影響規(guī)律。 ⑸鑒于目前對已使用的膜結(jié)構(gòu)實(shí)測方面的研究較少，本文對上海世博會中心軸膜結(jié)構(gòu)模型，在張拉成形近一年

6、后，進(jìn)行了模態(tài)實(shí)驗(yàn)。然后根據(jù)隨機(jī)子空間方法，編制計(jì)算程序，對膜結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行了識別。將識別出的頻率與峰值法識別的出的頻率作比較，驗(yàn)證了該方法的可靠性。由于識別出的頻率明顯降低，阻尼比增大，因此對頻率和阻尼比的影響因素也進(jìn)行了相應(yīng)分析。 ⑹基于勢流體理論，并考慮不可壓縮流體的性質(zhì)，采用Galerkin法對流場和耦合面進(jìn)行離散，實(shí)現(xiàn)了張拉膜結(jié)構(gòu)在考慮靜風(fēng)耦合作用下的動力特性計(jì)算。通過定義的自振頻率影響系數(shù)和附加質(zhì)量影響系數(shù)，分析

7、計(jì)算結(jié)果，總結(jié)出流體的耦合作用在各階振型中對自振頻率和附加質(zhì)量的影響規(guī)律。 ⑺考慮到分離渦（DES）方法綜合了雷諾平均（RANS）方法和大渦模擬（LES）方法的優(yōu)點(diǎn)，可以對流場進(jìn)行高效率的瞬態(tài)數(shù)值模擬。因此，采用迭代耦合策略，在Spalart—Allmadas湍流模型的基礎(chǔ)上，采用分離渦方法，實(shí)現(xiàn)了開敞式張拉膜結(jié)構(gòu)在考慮流固耦合效應(yīng)下的瞬態(tài)數(shù)值模擬。在此基礎(chǔ)上，比較分析了均勻流和湍流、結(jié)構(gòu)有阻尼和無阻尼情況下的耦合風(fēng)振響應(yīng)，并總