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基于健康监测的国家游泳中心风荷载和风致响应研究

刘迅  
【摘要】:为迎接2008年北京奥运会,我国建造了许多大跨度空间结构,国家游泳中心就是为2008年奥运会而建造的一座大跨度空间膜结构,并以其新颖的结构形式、新材料和新技术的应用而备受世人瞩目。 近年来,随着智能材料的发展,结构健康监测技术得到广泛的关注。为体现科技奥运的精神,同时为保障该结构的健康与安全服役,国家游泳中心建设指挥部于2006年设立了国家游泳中心钢膜结构健康监测系统科研项目,哈尔滨工业大学承担了监测系统的设计、安装、调试和运行,并对监测的数据进行深入系统的分析,为把握该结构的性能和安全状态提供科学依据。本文基于国家游泳中心健康监测系统实测数据,开展了如下的研究。 国家游泳中心屋面环境风特性分析。分析了国家游泳中心的风速、风方向、风攻角、湍流强度、湍流积分长度、脉动风速谱等特性;得到了湍流强度、阵风因子和湍流积分尺度随风速的变化规律;对比了实测风速谱和经验风速谱,发现Von Karman谱与实测水平向脉动风速谱比较吻合,Panofsky谱与实测竖向脉动风速谱吻合较好。 国家游泳中心屋面风荷载特性分析。分析了国家游泳中心屋面的风压分布规律、脉动风压功率谱和风压相关性等特性。研究发现:国家游泳中心的屋盖表面风荷载以风压力为主;靠近屋盖前沿具有较大的风吸力,随着离屋檐距离的增大,风荷载逐渐减弱;风压功率谱在低频段与流场风速的功率谱比较接近,而在高频段却有较大的差别,风压谱值普遍高于风速谱值,故由规范建议的用风速功率谱代替风荷载功率谱的准定常假定在低频阶段是比较适用的,但在高频部分不适用。 国家游泳中心ETFE膜结构风致响应分析。分析了国家游泳中心ETFE膜结构的频谱特性和模态参数,并初步分析了其流固耦合效应。研究结果表明:ETFE膜结构的振动是一个宽带过程,结构的卓越周期随风速的变化而变化。由识别的结果可以看出,ETFE膜模态参数都随着风荷载的变化而发生变化;识别的阻尼比比较大,最大阻尼比高达30%,远高于一般刚性结构的阻尼比。


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