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薄膜结构的风振响应分析和风洞试验研究

王吉民  
【摘要】: 薄膜结构是二十世纪后半期逐渐发展起来的大跨空间结构体系。从薄膜结构诞生的那 天起,人们对这类新型建筑结构的研究一直没有间断过,但从大量的研究成果来看主要集 中在薄膜结构的找形、剪裁、施工以及静荷载的分析,很少涉及到风振动力特性研究。然 而从薄膜结构这类大跨空间柔性结构的受力分析来看,边界层内高湍流度风场中的风流经 薄膜屋面时,会在薄膜结构的大部分区域产生强大的吸力,并在流体的粘性扩散中、尾迹 中形成旋涡的脱落和对流过程,由这些包括涡激振动力在内的风荷载是薄膜结构的主要控 制荷载。因此,深入研究薄膜结构的风荷载特性以及进行风振、涡激振动方面的研究,不 仅具有较深的学术研究价值,而且具有重要的工程应用价值。 本文从风洞模型试验出发,对薄膜结构上的风压特性进行了较深入的研究,并从理论 方面对作用在屋盖上的附加空气质量进行了详细的分析,对薄膜结构的风致振动、涡激振 动的机理以及风振响应进行了较为系统的研究,取得了一些有意义的结论。 在风洞试验方面,设计制作了双坡屋面结构在四周封闭、四周敞开和突然开孔各种不 同情况下的刚性模型和气动弹性模型,解决了刚性模型同时测定上下表面风压而又不影响 周围风场的模型制作问题;建立并完善了考虑弗劳德数等一系列相似准则的气动弹性模型 的设计制作方法,验证了风洞模型和实物原型在各有关参数之间应满足的相似准则,从而 使风洞试验结果能直接应用于工程实践。 在风振响应分析方面采用理论与试验相结合的方法,即利用刚性模型风洞试验获得的 在各种不同情况下屋面各节点的动态风压时程作为风荷载数据,对薄膜结构的凤振响应进 行有限元时程分析,并与气弹模型的风振响应试验结果进行对比,两者的差别较小,能够 满足工程应用的要求。这表明此方法的荷载数据直接来源于试验,具有较高的可靠性,能 够避免准定常假设在大跨薄膜结构的风振响应分析中产生的误差。 以随机过程模拟技术中的线性滤波器法为理论基础,利用自回归模型(AR法)模拟了 作用在薄膜结构上的风速时程,进而转换为作用于结构上的脉动风荷载时程。针对薄膜结 构的振动和受力特点,详细推导了非定常流中作用在薄膜结构上的附加空气质量的计算公 式,并得到了理论解。在总荷载中计入了由附加空气质量转换而来的惯性荷载并进行时程 计算,对薄膜结构的涡激振动响应进行了研究,得到一些重要的结论。


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