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开孔结构风致内压及其与柔性屋盖的耦合作用

余世策  
【摘要】:国内外风灾调查研究表明,低层房屋及大跨度柔性屋盖的风致破坏在很大程度上是由内外压共同作用引起的,部分敞开或突然开孔导致的内压增大对建筑物的安全产生了严重的威胁,然而人们对内压产生机理的研究尚处于摸索阶段,而结构设计人员对内压的取值更是无所适从,可见内压问题的研究是现代风工程领域新兴的课题,深入探讨开孔结构风致内压及其与大跨柔性屋盖的共同作用具有极其重要的学术研究意义和工程应用价值。本文采用理论分析和风洞模型试验相结合的方法,对风致内压响应的机理、风致内压与大跨柔性屋盖的耦合振动特性、内外压共同作用下屋盖风致响应的求解方法等关键问题进行了系统研究。 在理论分析方面,首先提出了紊流风场中孔口阻尼的迭代计算方法并分析了孔口阻尼特性,从理论上找到了孔口等效阻尼比的影响因素;发展了迎风面任意开孔时内压脉动的频域分析法,重新定义了开孔率的概念,并以开孔率来评价开孔结构内压脉动,取得了良好的效果;推导了考虑背景孔隙的内压传递方程,从理论上解释了背景孔隙的附加阻尼效应,并得出了相关的量化指标;考虑风致内压影响推出了名义封闭屋盖结构主振模态的三阶动力微分方程,改进了迎风面单一开孔结构屋盖-内压的耦合振动方程组并给出了频响函数矩阵,对风致内压和大跨柔性屋盖耦合振动的频率特性和阻尼特性进行了深入分析;最后利用耦合振动理论推导了内外压共同作用下屋盖风致响应的模态分析理论。 在试验研究方面,在国内首次针对低层房屋设计了具有不同开孔面积、开孔数量、开孔位置及不同内部容积的刚性模型进行风洞试验,研究了内压的空间分布规律、平均内压与脉动内压的产生机理与理论估算问题、峰值内压的取值规律以及内外压的相关性问题,全面地阐述了开孔结构内部风荷载的特性;在国际上首次采用索膜结构体系设计制作了可调刚度的屋盖结构并进行多种墙面开孔工况的气弹模型风洞试验,研究了屋盖风致响应随各种因素的变化规律,并对开孔结构屋盖频率特性和阻尼特性进行了深入分析,试验与理论结果吻合较好。 最后,本文还针对风致内压相关问题的风洞模型试验相似性模拟展开讨论,通过理论分析得到了气承刚度与孔口阻尼相似性模拟的附加准则,并给出了工程应用中的处理方法及建议;借鉴国内外风荷载规范对结构风致内压的处理方法并结合本文的研究成果提出了一套考虑风致内压的结构设计合理化建议。


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