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大跨屋盖结构风振响应和等效静力风荷载关键性问题研究

李玉学  
【摘要】: 大跨屋盖结构跨度大、自重轻、自振频率低、模态分布密集,结构风振响应计算具有多模态参与的特点,甚至存在部分对结构响应贡献较大的高阶模态;不同模态间的耦合效应非常显著,结构响应计算还必须计及模态间耦合效应的贡献。另外,由于大跨屋盖结构形式复杂,多模态参与结构振动,振动过程中不同位置的不同节点响应不能完全保持同步,使得响应控制点不明确,因此,基于结构响应的等效静力风荷载计算需要兼顾多个响应控制目标。目前,国内外对于大跨屋盖结构风振响应和等效静力风荷载计算提出了多种分析方法,每种方法都有其自身计算特点和适用条件。本文以国家体育场封闭屋盖和2008奥运网球中心悬挑屋盖为工程背景,考虑目前研究现状,结合大跨屋盖结构抗风研究特点,通过计算分析和理论推导,对大跨屋盖结构抗风设计中的关键性问题进行了研究,主要完成以下几个方面的工作: 1.对目前结构风工程领域热点研究的大跨屋盖结构风振响应分析和等效静力风荷载计算的各种方法进行了系统的总结和比较,指出了各种方法存在的问题、优缺点和适用条件,揭示大跨屋盖结构的风振响应和等效静力风荷载的物理意义和本质特征,找出了制约大跨屋盖抗风设计的关键性问题。以国家体育场封闭屋盖结构和2008年北京奥运网球中心悬挑屋盖结构的抗风设计为工程背景,采用上述各种方法计算其风致动力响应和等效静力风荷载,并对计算结果进行分析比较,对这些方法的优缺点和适用条件进行了验证。针对这两类典型大跨屋盖结构,为工程设计人员合理选取相应的风致动力响应分析方法和等效静力风荷载计算方法提供了有价值的参考意见。 2.通过分析,指出影响不同模态对大跨屋盖结构风振响应贡献程度的两个主要因素:(1)模态空间分布和结构表面风荷载空间分布的相关性;(2)模态自振频率和风荷载主频率的接近程度;为选取结构风振响应主要参振模态确立了思路。考虑到大跨屋盖结构风荷载空间分布的不确定性,提出通过低价主要贡献模态空间分布寻找风荷载强相关高阶模态的思想;在此基础上,结合低阶模态,综合考虑结构自振频率的影响,通过对模态响应方差矩阵的简化处理,构造了模态参与系数,依据该系数实现了对主要参振模态的精确选取,有效地解决了大跨屋盖结构风振响应分析中主要参振模态的合理选取这一关键性问题。 3.通过分析CQC组合和SRSS组合的相互关系,从而将模态耦合项分离出来;通过对背景响应耦合项和共振响应耦合项的简化分析,推导了其简化表达式;引入模态应变能的概念,定义了背景响应和共振响应模态耦合系数,通过该系数实现了背景响应模态间耦合效应强弱和共振响应模态间耦合效应强弱的判断;在此基础上提出结构总的背景响应和总共振响应可以分别采用各自主要参振模态的SRSS组合结果再叠加强模态耦合项的贡献得到。算例分析结果表明,该方法简单实用,既避免了复杂的CQC组合计算又计及了模态间耦合效应,具有较高的计算效率,能够满足大跨屋盖结构工程抗风设计的要求。 4.针对大跨屋盖结构等效静力风荷载计算中需要兼顾多个响应控制目标的特点,提出了由静力风荷载下结构的应变能与脉动风荷载下结构的应变能极值相等来确定等效静力风荷载分布的思想,其中应变能的计算通过脉动风荷载下不同节点响应与该节点上脉动风荷载的乘积组合叠加得到,依据该思想推导了背景响应等效静力风荷载的计算表达式。算例分析表明,该方法能够很好的确定背景响应等效静力风荷载,得到的等效静力风荷载分布既兼顾了多个响应控制目标,又赋予了其明确的物理意义,具有一定的工程应用价值。


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