复杂体型大跨屋盖风致振动的风洞试验与实测研究

【摘要】： 近年来,城市建设中涌现了越来越多的大跨屋盖结构,此类结构具有质量轻、柔性大、阻尼小、结构固有频率低等特点,对风荷载十分敏感,风荷载成为此类结构设计的控制荷载。因此,本文综合采用风洞试验、现场实测和人工神经网络模拟方法对大跨屋盖在强风作用下的风压分布和结构响应进行深入研究,主要包括以下内容: 1.近地台风风场实测研究。近地台风风场对大跨屋盖结构的风效应有着重要影响,同时对于大跨屋盖风洞试验的流场模拟也有指导意义,但目前土木工程相关的近地台风风场的实测研究很少,台风过程的观测记录多不完整,且观测仪器对实测数据精度的影响也尚待研究。本文采用两种不同采样频率的三维风速仪记录了强台风“珍珠”(极值风速67.3m/s)和“派比安”(极值风速40.7m/s)从登陆至离开的全过程。在此基础上,对台风风速分量、风向角、风攻角、湍流强度、阵风因子、脉动风速的概率分布和湍流积分尺度进行了全面研究。结果显示,高采样频率的仪器所记录的台风实测数据精度较高;在低风速情况下,脉动风速的概率分布接近正态分布;湍流强度与阵风因子存在近似的线性关系。将实测脉动风速谱与Davenport、Von Karman、Kaimal等经验风速谱进行了比较,结果表明,实测风速谱与我国规范采用的Davenport经验谱相差较大,但与Von Karman或Kaimal谱吻合较好,本文对实测风速谱进行了拟合。 2.复杂体型大跨屋盖风压分布特性研究。大跨屋盖表面的风压分布是影响其风振响应的主要因素之一。此类结构通常位于湍流复杂的近地风场中且其建筑形式多样,特别是近年来出现的大波浪型、角部翘起等屋盖形式,其表面的风压分布更为复杂,风压分布特性仍有待进一步研究。深圳市民中心(跨度486m)和广州会展中心(跨度458.5m)是复杂体型大跨屋盖结构的典型代表,本文对其进行了刚性模型风洞测压试验,详细研究了屋盖平均风压、脉动风压分布规律和典型测点的脉动风压三维功率谱,得出大跨屋盖表面风压分布的一些共性特征并分析了其产生机理,提出了有利于结构抗风性能的外型设计建议。 3.大跨屋盖风压分布的人工神经网络预测。大跨屋盖的刚性模型风洞测压试验通常需要布置足够多的测点,以尽可能全面地获得屋盖表面的风压分布信息,但测试设备的限制使得测点个数非常有限,因此有必要尝试研究基于风洞试验的风压分布仿真方法。本文对BP和RBF网络在工程应用中的参数选择进行了详细分析,在此基础上,利用上述两种人工神经网络预测了两个复杂体型大跨屋盖的典型测点平均风压,并提出神经网络可以预测复杂体型大跨屋盖区域风压分布、典型测点风压时程以及脉动风压功率谱,并对仿真结果进行了对比分析。对内插值与外插值两种方法进行了对比研究,结果表明,内插值工况的仿真结果优于外插值工况。针对BP网络不能预测流场变化剧烈区域测点风压的问题,本文提出用遗传算法改进BP网络,通过优化BP网络的初始权值、阈值改进BP网络收敛速度与稳定性。计算结果表明,遗传算法改进BP网络可以较精确的预测流场复杂区域的风压。 4.大跨屋盖风致响应研究。部分文献认为大跨屋盖风致响应计算中测点风压向有限元节点风荷载的转换矩阵为0、1组成的力指示矩阵,本文对此提出质疑并给出了物理意义明确的测点影响系数矩阵快速算法,编制了通用计算程序R-Generator。CQC法是计算大跨屋盖结构风振响应的精确方法,但对于自由度数量较多的建筑,其计算量巨大,如何在保证计算结果精确的前提下节省计算量是需要研究的问题。虚拟激励法需要对激励的谱矩阵进行三角分解,对于处理多点随机激励问题依然比较繁琐。本文推导了简化的屋盖风振响应计算公式,该方法考虑了所有模态耦合项与力谱耦合项,其计算结果与CQC方法精确等价,但省略了CQC法中不必要的计算位移响应互谱的部分,因此大大节省了计算量。另一方面,空间网架结构(如深圳市民中心)与桁架梁结构(如广州国际会展中心)屋盖的风致振动形式与破坏特征有着很大差别,本文分析了其风致振动响应规律,认为桁架梁结构的风致最大位移响应由屋盖整体振动控制,通常出现在跨中位置;角部悬挑空间网架结构的风致最大位移响应由屋盖角部的局部振动控制,通常出现在悬挑角部顶点处。对比分析了不同阻尼比、不同参振模态阶数工况下的节点位移响应谱,对其机理进行了分析。 5、大跨屋盖原型实测研究。有限元模态分析结合刚性模型风洞试验是当前研究大跨屋盖风振响应的主要途径,对大跨屋盖的原型实测则是检验上述方法的最佳手段。本文采用竖向拾震器分组实测了广州国际会展中心屋盖风致振动的速度时程,提出了能够快速便捷地识别屋盖竖向整体振动固有频率的功率谱点积法,该方法与传统的自互谱法相比具有较高的识别精度,且能够有效排除自互谱中常出现的“假峰”与“毛刺”的干扰。在此基础上识别了屋盖竖向整体振动的固有频率和模态振型。结果表明,根据实测数据识别的结构模态参数与有限元模型模态分析结果吻合较好。 原型实测可以提供最可靠的大跨屋盖风效应数据,但由于测试手段的限制,所获信息有限;风洞试验能够获得较为全面的大跨屋盖风压分布信息,但由于流场模拟、模型缩尺效应等原因,其试验结果仍需要原型实测来检验;人工神经网络方法可以有效弥补试验测点数量不足的缺点。因此原型实测、风洞试验和人工神经网络模拟方法在大跨屋盖风效应研究中是相辅相成的。本文的研究结果对于大跨屋盖结构的设计和研究有重要的参考意义。