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索穹顶结构风振响应研究

徐牧  
【摘要】:索穹顶结构是一种受力性能良好、外形美观多样的张力结构体系,其受力构件有索、膜和少数刚性立杆。该结构的自振频率较低,属于柔性、风敏感结构,工程中风致损毁的索膜结构实例较多,因此研究索穹顶结构的风振响应具有重要意义。目前多数针对索穹顶结构的风振响应研究多是将下部索杆体系和结构顶部的张拉膜结构分开研究,这与结构实际的工作状态存在一定差异。 本文建立了跨度为100m的大跨度球面索穹顶结构有限元分析模型,分别研究了索杆体系和膜-索杆体系的结构自振特点,并进行了两种结构体系风振响应的频域计算,得到了频域内结构的风振响应特点和风振系数,通过对比分析,证明了索杆体系运用于风振响应研究的不合理性。在此基础上,研究了参振模态数目对基于频域法的结构风振响应计算结果的影响,给出了索穹顶结构风振计算参振模态数的建议值。 在结构形态分析、静风计算和频域计算的基础上,本文还对膜-索杆体系进行了时域内的风振响应计算,总结了索穹顶结构风振时程响应的特点,与频域内的计算结果进行了对比。研究发现:在时域法中,与风向成0o的剖面上索穹顶结构脊索迎风向节点风振响应的脉动程度小于背风向的,在其他剖面上则不一定满足这一规律。脉动风的能量大部分由膜面耗散。脉动风作用下结构迎风向的膜面应力变化幅度很小,背风向膜面应力的变化幅度较大。在结构的大多数部位两种方法得到的风振系数都较为接近。 总之,索穹顶结构抗风设计重点应是保证膜材不发生强度破坏和位移响应极限值在控制范围内。一般索不易发生松弛。此外,由于结构体型本身以及风荷载的一些特性,结构以上抬为主,立杆也不会发生失稳或强度破坏。


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