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大跨度柱面屋盖结构风荷载特性研究

张超东  
【摘要】:作为一种典型的曲面屋盖,柱面屋盖由于其具有良好的气动性能并且能提供优美的建筑外形而越来越多的应用到工程实践,尤其是大跨空间结构中。柱面屋盖的风荷载特性研究多针对一些典型工程进行,规范资料也不全,无法为更为广阔范围内的柱壳结构设计提供依据,开展更为深入的研究具有一定的工程应用价值和理论研究价值。 本文基于刚性模型风洞测压试验,对不同矢跨比、不同高跨比及不同地貌上的柱面屋盖表面的风荷载特性进行了系统研究,包括:平均风压分布特性、脉动风压分布特性,脉动风压的非高斯分布特性,风压自功率谱和互功率谱的研究,并在此基础上建立了相关的描述模型。以上研究工作为该类建筑的主体结构风荷载确定、围护结构的极值风压确定、抗疲劳设计以及结构的风振响应分析提供依据,同时为进一步完善大跨空间结构抗风设计理论垫定了基础。本文主要内容包括以下几方面: (1)进行了系统的刚性模型测压风洞试验,柱壳矢跨比为1/6、1/3及1/2,高跨比为1/10,1/5及1/2,地貌类型为A、B、C、D四类,共计18种工况; (2)基于以上风洞试验结果,首先分析了平均风压分布特性,探讨了风向角、矢跨比、高跨比以及地貌类型对平均风压分布的影响,确定了最不利风向角,并给出典型风向角(来流垂直于屋脊)下的局部体型系数与荷载规范进行比较,建立了较为精确的平均风压计算模型,为工程设计提供参考。 (3)其次,对于脉动风压分布同样探讨了风向角、建筑几何参数和地貌类型对柱面屋盖表面脉动风压的影响,并结合平均风压分布对柱面屋盖表面流场的分离和再附等特征湍流现象进行了初步探讨。同时分析了脉动风压的高阶矩分布特性,给出划分高斯/非高斯区域的标准。 (4)矢跨比是影响柱面屋盖风压特性的主要因素,针对来流垂直于屋脊这一典型风向,分别探讨了大小矢跨比柱面屋盖表面脉动风压的自功率谱特性,在分析风压谱特性的基础上给出了自谱描述模型,同时考察不同矢跨比下柱面屋盖沿跨向中轴线上各测点之间的的空间相关性,建立了柱面屋盖上风压的互谱描述模型,为进一步的结构风振响应分析,极值风压估计和抗疲劳设计提供参考。


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