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索穹顶结构耦合风振研究

孙旭峰  
【摘要】: 索穹顶结构除少数几根杆件受压外,其余杆件都处于张力状态,所以充分发挥了钢索的高强特性,且索穹顶结构一般以膜材为覆盖材料,具有自重轻、跨度大及建筑造型自由丰富的特点。由于这种结构同时集新材料、新技术、新工艺和高效率于一体,所以被认为是代表当今国际空间结构发展最高水平的结构形式。索穹顶结构具有如下的特点:跨度及柔性大,低阶自振频率小,非线性特征明显;自振频率密集且相互耦合;空间曲面及绕流特性复杂;膜在风荷载作用下振幅较大,结构场与流体场间的流固耦合效应不可忽略。所有这些特点使得索穹顶结构对风的作用非常敏感,但到目前为止,针对索穹顶结构的抗风分析还很少,而且这些分析都没有充分考虑上述索穹顶结构的受力特点。据此,本文分别采用数值风洞方法及简化气弹力学模型方法对索穹顶结构的耦合风振问题进行了研究,并将求解结果与试验值作了对比。 第一章在查阅国内外相关文献的基础上,简要回顾了索穹顶结构的发展历史、工程应用及研究现状,并确定了本文的主要研究内容。 本文第二章总结和推导了大跨度张力屋盖结构体系的气弹模型风洞试验所需满足的相似准则,并对肋环型索穹顶结构气弹模型风洞试验的数据进行了统计和分析。气弹模型风洞试验是对理论分析进行检验的重要依据。 第三章基于ADINA软件所提供的流固耦合功能采用不同湍流模型对索穹顶结构进行了耦合风振分析。在耦合风振分析中数值风洞方法极具应用前景,但在目前的技术条件下这种方法还存在一定的制约。 本文第四章推导了索穹顶结构耦合风振分析的简化气弹力学模型。在模型的参数计算上,采用奇点配置法推导了三维情形下结构振动诱导流场附加质量的数值计算方法;联合采用经验模态分解、改进的随机减量法及Hilbert变换对索穹顶结构的气动阻尼进行了识别分析;推导了基于本征正交分解的降阶谱解法。基于简化气弹力学模型的索穹顶结构耦合风振分析结果与试验的对比表明,该方法可以较好地应用于索穹顶结构的耦合风振分析。 第五章采用简化气弹力学模型耦合风振分析方法对目前两种主要的索穹顶形式——肋环型和葵花型索穹顶结构进行了耦合风振参数分析,根据统计结果研究了位移及内力响应随各种参数的变化规律,并对位移及内力响应风振系数的取值提出了建议。 论文最后对本文的研究内容及成果进行了总结,并指出了今后的研究方向。


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