复杂体型的大跨度单层叉筒网壳风振分析

摘要

大跨度叉筒网壳结构作为网壳结构的一种特型，因其外观突出优点而广泛应用于影剧院、展览馆、飞机库、航空港、体育场馆、车站、煤棚、仓库、工业厂房等建（构）筑物中，并且日趋多样化、大型化、复杂化。作用于此类结构上的风荷载具有随机性与空间相关性，常常起主要甚至是决定性作用，风振影响成为结构设计、防灾减灾分析的控制因素之一。迄今大跨度结构的风工程研究只取得阶段性成果，研究仍然不够。复杂体型结构的体型系数、风压分布、风振响应和风振系数等关键问题尚未完全解决，甚至结构动力特性的研究亦不充分。大跨网壳结构在风荷载作用下的动力响应特性研究越来越受到学术界和工程界的关注与重视。 本文主要针对大跨度单层叉筒网壳结构网格生成技术、风载体型系数与风压分布、风速风载模拟、风振时程分析、参数分析等方面进行了比较系统的研究。首先回顾了大跨度网壳结构风工程领域的研究现状，指出存在的主要问题，并提出本文的研究目标和工作重点。 在单层网壳结构的网格生成技术方面，基于形式代数法，针对单层叉筒网壳结构型式，采用参数化建模方法建立模型。输入若干控制参数，可由程序自动生成包含模型节点、单元，减少分析计算时数据输入工作，适用于同类结构的有限元前处理。 数值风洞方法是一种结合计算流体力学、有限元技术、风工程、结构工程，以及计算机语言、高效数值算法、计算机图形学和动态可视化处理的高端集成技术，本文利用该方法研究了大跨度单层叉筒网壳结构的风载体型系数和风压分布，分析了数值风洞中结果的原因，证实了数值风洞的可靠性，并归纳为设计所用块体型系数。 在风速与风荷载时程模拟方面，采用谐波叠加法模拟了单层叉筒网壳结构具有随机性、时间相关性、空间相关性的节点风速时程，得到风速时程模拟结果统计分析、功率谱分析表明模拟值与目标值吻合较好。进而根据风速特性,讨论了由风速时程转化为风荷载时程的方法。 在风振研究方面，回顾了结构风致振动研究的基本情况，分析了结构风振形式及其机理，讨论了作用于网壳结构的风荷载特点，阐述了结构风振响应计算方法。针对大跨度叉筒网壳结构，引入节点位移风振系数、荷载风振系数等概念，采用Newmark时程分析法，研究其风振响应特性。计算得出单层叉筒网壳结构的风振系数，并归纳为设计所用块风振系数。 最后对全文的研究工作进行了总结，并指出部分有待于深入研究的问题。