平坦薄膜屋盖非线性振动及其抗风性能概率评估方法研究

摘要

建筑薄膜结构由于其轻、柔的特点，在风荷载作用下通常会产生较大的变形与振动，这种大幅变形和振动反过来会影响结构周围的空气流场，从而形成空气—结构耦合作用，这种耦合作用会导致薄膜振动特性的改变，甚至发生气弹失稳现象。气弹失稳对薄膜结构抗风安全威胁较大，因而气弹失稳研究一直是薄膜结构抗风设计的热点课题之一。由于膜结构自身力学性能的复杂性，特别是膜材振动时表现出的明显几何非线性，使得这方面理论工作以往多集中在小变形假设的基础上进行，在理论研究时并未探究几何非线性对薄膜动力特性及气动稳定性带来的影响。此外，近年来国内外薄膜结构在强风作用下的破坏事件时有发生，表明现阶段薄膜结构的抗风设计理论存在一定不足，现行设计方法一方面可能造成不必要的浪费，另一方面也不排除某些未预见到的隐患。因此工程人员需要一种适用的评估方法对薄膜结构的抗风能力进行评估。为此，本文致力于研究平坦薄膜屋盖非线性振动特性，搜寻适合求解非线性振动的理论方法，并将其应用于薄膜屋盖的抗风设计，获得特定场地下不同抗风性能水准的超越概率，以此来评估其抗风能力。本文从下面五个方面进行了相关研究，主要内容如下： （1）薄膜屋盖非线性振动的解析方法：针对传统摄动方法只针对于小参数振动方程求解的局限，本文对多重尺度法进行改进，引入变换参数，对具有大参数的薄膜非线性振动方程进行解析求解，研究过程中考虑了膜材的正交异性及阻尼系数。通过与传统摄动解及数值解的对比，确定了求解方法的精度与适用性。 （2）屋盖膜材张拉最大初始应力建议：张拉膜材的预张力越大，屋盖膜面的刚度越大，但随之带来的是施工成本的增大及正常使用过程中的应力松弛现象。因此本文通过平坦矩形张拉膜材的冲击试验，研究各张力下膜材冲击位移的变形衰减率，从而给出张拉膜材的最大初始应力建议。同时通过不同测点的振动数据采集对比分析正交异性对膜材振动幅值的影响。 （3）空气动力对膜材非线性振动的影响：膜材在空气中振动会带动周围空气运动，运动后的空气流场会反作用于膜材，改变其振动特性。本文基于热力学第一定律和气动弹性力学原理对薄膜屋盖在空气场中振动的附加气动力进行解析求解，在此基础上，探讨附加气动力对膜材振动频率、幅值的影响规律以及风速、初始预张力等振动参数变化对薄膜屋盖附加气动力的影响。 （4）防止气弹失稳的薄膜屋盖设计参数：气弹失稳的主要原因是预张力的不足与膜材单元跨度的不合理，通过采用改进多尺度法对气弹失稳临界风速的解析求解，获得临界风速与膜材预张力、跨度比的关系式，从而获得某场地下不同重现期设计风速所对应的最小预张力、跨度比要求及防止气弹失稳的其它一些布置原则。 （5）考虑气动稳定性的薄膜屋盖抗风性能概率评估方法：从概率角度评估特定场地下薄膜屋盖的抗风能力。从基于性能的结构设计理念出发，通过简化风场数学模型建立在合理设计下平坦薄膜屋盖基于性能的抗风设计概率评估框架，采用年平均超越概率定量评价结构的抗风性能。在评估过程中，考虑附加空气质量给屋盖风振带来的影响，快速获得不同性能水准下的屋盖抗风能力。

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