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建筑幕墙动态特性分析及优化设计

王乔  
【摘要】:玻璃幕墙是由玻璃面板、支承结构、支承装置组成的结构体系,因其具有良好的建筑效果,近年来在国内外得到了迅速发展,并展示了广阔的应用前景。玻璃幕墙中点支承玻璃幕墙的特点是通透性极高,支承结构简洁明快,突出点连接结构旋律美和玻璃支承结构体系的现代感,随着玻璃工艺的提高和大量公共建筑的兴建,点支承玻璃幕墙在国内外应用越来越广范。由于点支承玻璃幕墙支承结构的不断扩大,格构式钢结构能很好地满足上述要求,因此在点支承玻璃幕墙支承结构中得到了广泛的应用;点支承玻璃幕墙已不再是一幅局部的幕墙,而是发展成为钢结构支承的玻璃建筑。 由于幕墙采用的玻璃、金属板较薄,整个幕墙面积较大,抗风能力较弱,因此,建筑幕墙不但要满足基本功能需要,还要对其安全性、可靠性做进一步研究。目前国内对建筑幕墙支承结构的研究多以静力性能为主,动态特性研究和在风载荷作用下的动态响应研究较少。自然风中的脉动风分量是引起结构风激振动的主要因素,持续的振动可引起建筑幕墙结构产生较大的变形及应力,同时引起结构的疲劳损伤。随着科学技术的快速发展和人们建筑审美观的提高,建筑的支承结构越来越向轻型化发展,对结构动态特性的要求日益提高,目前在工程设计中,如何确定结构的动态特性,分析动态荷载对结构位移和内力的影响,是一个亟待解决的问题。利用有限元模型进行后续的结构动力修改和优化研究,也是工程设计阶段应解决的难点问题。 本文首先采用有限元方法,分析了点支承玻璃幕墙结构体系的动态特性。运用CAE技术,根据结构体系的特点,建立以钢结构梁单元和玻璃板块壳单元为基本单元的有限元分析模型,进行动态特性分析,识别其模态参数即固有频率和振型;然后基于随机振动的虚拟激励法进行了脉动风载荷作用下的随机振动响应谱分析,得出结构在风载荷作用下的节点位移响应功率谱,为合理优化结构提供了依据。 在动态特性分析和脉动风响应谱分析的基础上,针对幕墙存在的动力性能问题,基于有限元模型分析结果,本文采用差分法进行动力灵敏度分析,根据灵敏度分析结果,对点支承幕墙结构进行动力修改,使其动力特性得到提高;选取有效的设计


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