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开敞式拱形波纹钢屋盖体型系数及抗风性能研究

贾永新  
【摘要】: 拱形波纹钢屋盖是一种冷弯薄壁轻钢结构,具有自重轻,刚度小、自振频率低等特点,因此对风荷载十分敏感。风荷载作用的体型系数和风致动力性能是开敞式拱形波纹钢屋盖结构抗风设计必须要解决的关键问题。而目前国内外尚无相关技术规定,也鲜见相关研究文献发表。缺乏必要的技术支撑使得这类结构的风致破坏事故时有发生,所以对开敞式拱形波纹钢屋盖结构的抗风性能进行系统研究己成当务之急。本文运用数值计算方法对这类屋盖结构的体型系数及抗风性能进行模拟分析,主要完成了以下工作: 1、阐述了大气边界层中风的特性。介绍了平均风的特点及其在我国规范中的计算方法;指出了脉动风的动力效应,明确了湍流强度和脉动风速谱等概念。 2、在总结前人研究成果的基础上,介绍了以平均Navier-Stokes方程为基础的湍流流动基本方程,并给出了求解平均Navier-Stokes方程的数值离散形式和离散方法,分析了应用不同湍流模型计算的优缺点。基于上述CFD理论,对单跨封闭式落地圆弧拱形屋面的体型系数进行了研究,并与规范给出的这类屋面体型系数进行对比,验证了这种分析方法的可靠性。 3、在CFX软件中采用RNGk-ε模型对开敞式拱形波纹钢屋盖进行了平均风的数值风洞模拟,得出此类屋盖上的风压分布规律,讨论了柱高、柱距变参数对屋盖风压分布的影响,并进一步通过多参数正交试验分析的方法,讨论了跨度、矢跨比、纵跨比对此类屋盖风压分布及体型系数的显著性影响,得出影响显著的参数,给出了此类屋盖风压分布体型系数的建议取值。 4、开敞式拱型波纹钢屋盖结构风致振动响应的频域分析:阐述了随机振动理论,采用空间壳模型,利用ANSYS中的谱分析模块,实现了对这种结构的风振响应分析,得出了此类屋盖结构设计时位移风振系数的取值以及位移反应功率谱曲线。 5、拱型波纹钢屋盖结构风致振动响应的时域分析:采用线性滤波法编制MATLAB程序,模拟出了具有随机性、时间相关性、空间相关性的脉动风速时程序列。在此基础上采用空间壳模型,利用ANSYS中的瞬态动力学分析模块,分析结构的风振时程响应;最后通过时域分析与频域分析两种的对比,验证了两种分析方法的可靠性。


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