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铝合金球面网壳结构风压场模型与风振响应分析

吴正鹏  
【摘要】:由于社会的进步和人类发展的需要,人们追求建造覆盖面积较大的空间结构。在此背景下,大跨度铝合金网壳结构因为其独特的优势被应用的越来越多,国内的工程实例有上海辰山植物园温室、义乌游泳馆等,这类结构质量轻,柔度大,作用在表面上的风荷载会出现特征湍流现象,因此风荷载会成为其主要的控制荷载。目前高层结构抗风设计研究的较为深入,理论也比较成熟,但大跨度结构风工程发展相对缓慢,国内外规范均没有给出代表性的计算方法。本文在国内外学者已有研究工作的基础上,以矢跨比为1/6、1/3,1/2大跨度铝合金球面网壳为例,系统的研究了其表面的脉动风特性、风振响应以及响应计算方法。本文主要的工作内容及成果如下:(1)基于风洞试验的风压时程数据,统计出风压系数并绘制等值线图。发现风压系数随着球壳矢跨比的增大而增大,平均风和脉动风在球面网壳表面上作用规律虽大致同步,但随着矢跨比的增大,分布形式差异也增大。(2)对苏宁提出的单参数脉动风压谱工程模型进行改进,提出了适用于球面网壳结构的单参数脉动风压自功率谱模型,并基于MATLAB进一步提出了两参数相干函数模型,从而得到脉动风压互谱模型。(3)将虚拟激励法的已有成果和谐波激励法的原理相结合,通过谐波激励法计算出激励协方差矩阵并进一步计算出各阶模态贡献系数;利用MATLAB编制出自动选择参振模态进行计算的谐波激励法程序。经过比对发现该方法计算结果准确且计算速度快,是一种简便快捷的风振响应算法。(4)对矢跨比为1/6、1/3,1/2球面网壳的响应风振系数进行了研究:当研究对象为位移风振系数时,球面网壳可分为两种情况讨论,矢跨比大于1/3时,位移风振系数随着矢跨比的增大而增大,矢跨比小于1/3时,位移风振系数随矢跨比的增大而减小;当研究对象为内力风振系数时,其数值随着矢跨比的增大而增大。另外本文根据不同的方法计算出来的一致风振系数相差很大,可见怎么确定一个合理、准确的标准方法计算一致风振系数还需要相关学者进一步的研究。(5)通过ANSYS分别建立了截面形式相同、矢跨比为1/2的铝合金和钢球面网壳结构有限元模型并计算相应的响应风振系数,结果表明虽然铝合金网壳结构比钢网壳结构更柔,但两者的风振系数却基本吻合。因此建筑结构材料的改变并不一定会改变风振系数,只有当钢球壳结构的基频与荷载的频率相接近时,此时将钢结构换成铝合金结构将导致基频更小,共振响应加剧,风振系数才会增大;反之如果材料改变后结构基频仍然与荷载频率差距较大,则风振系数基本不变。


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