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体育场悬挑屋盖结构风压特性及其相关性研究

张海永  
【摘要】:目前国内外针对大跨度屋盖结构的抗风研究,主要是围绕着一些简单的结构形式进行的。但对于马鞍形环状悬挑屋盖结构,至今还没有一套系统的研究方法,各国规范也没有给出具体的抗风设计依据。因此,本文结合风洞试验和数值模拟等手段,对郴州市体育中心体育场的马鞍形环状悬挑屋盖的风压特性、脉动风压相关特性及风振响应等进行了研究,力求对实际工程的设计提供参考依据。本文主要完成了以下几方面的研究工作: 首先,对体育场悬挑屋盖进行了刚性模型的屋盖上、下表面同步测压风洞试验和风压数值模拟。研究了各典型风向角下的平均风压分布情况。研究显示,在屋盖上、下表面,负压区域分布都很广泛。在马鞍形的凸起区域,净风压值很大。把风洞试验及基于3种湍流模型的数值模拟结果进行了对比分析,其中采用RNGk-ε模型和Realizable k-ε模型的数值模拟结果与风洞试验最为吻合,而数值模拟的效果在上表面要好于下表面。 其次,在刚性模型风洞试验数据的基础上,详细研究了脉动风压的频域特性,并建立了该体育场悬挑屋盖各风向角下的新的风压谱数学模型。对悬挑屋盖各区域的典型测点进行时域下的相关系数和频域下的相干函数分析,采用Davenport相干函数公式对屋盖表面的平行、垂直来流方向排列的测点间的相干函数曲线进行了拟合。研究表明,风压谱曲线随风向角和测点所处位置而变化,其低频区段主要由来流风决定,窄波峰由涡旋脱落引起。体育场悬挑屋盖结构的脉动风压空间相关特性有其自身的特点,即测点所在的屋盖区域不同和测点是平行或垂直来流方向排列对相关特性影响较大。 最后,根据风洞试验所得风压时程数据,对该悬挑屋盖结构进行了风振响应时程计算,详细分析了节点位移风振响应和杆件轴力风振响应的平均值、均方差和峰值,并确定了最不利风向角。位移风振系数和轴力风振系数效果相当,不同节点或杆件的风振系数值在1.5~3.5之间变化。上述研究显示脉动风对结构的作用不可小视,该研究为类似大跨屋盖结构的抗风设计提供了参考。


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