台风作用下网壳结构动力失效研究

摘要

大跨空间结构多用于体育场馆、交通建筑、会展中心等大型公共建筑，这类结构的重要性不言而喻，一旦破坏或失效会给社会生产和人民生命安全带来重大损失，同时也会造成较坏的社会影响。我国每年都会遭受台风袭击，大跨度结构在风振作用下破坏的案例时有发生。因此研究大跨度结构在台风作用下的动力失效具有重要意义。
　　本文基于Yan Meng台风模型，确定了影响台风风场的关键参数，根据1949-2014年间西北太平洋热带气旋实测数据，用模拟圆法分析了台风关键参数的最优概率模型。依据台风关键参数的最优概率模型，用随机抽样法随机抽取了10000组台风，与实测热带气旋极值风速进行拟合，得到台风平均风剖面指数。
　　用FLUENT软件数值模拟了常规风场和台风风场下球面网壳和顶部开口网壳表面风压特性。表明球面网壳在常规风场和台风风场下风压规律相似，但台风风场下网壳表面的风压系数要大于常规风场下的风压系数。矢跨比为1/8时，两类风场屋盖表面风压以负压为主，负压最大值出现在横风向边缘附近，在垂直风运动方向，网壳边缘的风压系数要大于中间区域的风压系数。
　　分别依据Davenport谱和Von Karman谱，采用谐波合成法，用MATLAB模拟了球面网壳结构在常规风场和台风风场下表面各点的风速时程，并与目标谱进行了对比，验证了常规风场和台风风场各自风速谱的正确性。
　　对比了常规风场和台风风场下网壳结构和弦支网壳结构的动力效应，得出相对于常规风场，台风风场作用下网壳和弦支网壳结构的位移响应和均方差更大，且在台风作用下，弦支网壳结构的最大位移出现在与内环撑杆连接的上部网壳节点处。
　　以最大位移和塑性杆件比例为指标提出了台风作用下网壳结构动力失效判定准则;以节点最大位移、塑性杆件比例和索是否松弛为指标提出了台风作用下弦支网壳结构动力失效判定准则。并通过算例验证了该判定准则的适用性。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 研究背景和意义

1．1．2 台风对结构的破坏

1．2 结构抗风研究方法

1．2．1 现场实测

1．2．2 风洞实验

1．2．3 数值模拟

1．3 台风风场特性

1．3．1 平均风特性

1．3．2 台风脉动特性

1．3．3 台风脉动风速谱

1．4 本文主要研究内容

第2章 台风风剖面参数确定

2．1 台风模型概述

2．1．1 Batts台风模型

2．1．2 Shapiro台风模型

2．1．3 Yan Meng台风模型

2．2 台风风剖面关键参数确定

2．2．1 台风关键参数确定

2．2．2 关键参数概率分布模型

2．3 Yan Meng风剖面参数确定

2．4 本章小结

第3章 球面网壳风荷载数值模拟

3．1 引言

3．2 流体力学基本方程

3．2．1 连续方程

3．2．2 还功万程

3．2．3 Navier-Stokes方程

3．2．4 Navier-Stokes的解法

3．3 台风和常规风场下球面网壳风荷载数值模拟

3．3．1 几何模型和计算流域选择

3．3．2 网格划分

3．3．3 边界条件

3．3．4 求解参数

3．3．5 数值模拟结果分析

3．4 台风和常规风场下顶部开口网壳结构风荷载数值模拟

3．4．1 几何模型和计算流域选择

3．4．2 网格划分

3．4．3 数值模拟结果分析

3．5 本章小结

第4章 脉动风场数值模拟

4．1 引言

4．2 脉动风速模拟方法

4．2．1 脉动风空间相关性

4．2．2 谐波合成法

4．2．3 AR自回归模型

4．3 网壳结构脉动风场数值模拟

4．3．1 常规脉动风场模拟

4．3．2 台风脉动风场模拟

4．4 本章小结

第5章 台风作用下网壳结构动力失效研究

5．1 引言

5．2 空间网格结构动力分析基本理论

5．2．1 频域法

5．2．2 时域法

5．3 台风作用下单层球面网壳结构动力失效分析

5．3．1 单层球面网壳结构计算模型

5．3．2 风压时程和体型系数

5．3．3 网壳结构自振特性

5．3．4 台风和常规风场下单层球面网壳结构动力响应

5．3．5 台风作用下单层球面网壳结构动力失效判定

5．4 台风作用下弦支网壳结构动力失效分析

5．4．1 弦支网壳计算模型

5．4．2 弦支网壳自振特性

5．4．3 台风和常规风场下弦支网壳动力响应

5．4．4 台风作用下弦支网壳结构动力失效判定

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简介