大跨度空间结构风振和地震响应分析——程序编制和实用方法

摘要

随着工程技术的进步,现代大跨度空间结构,体系日益新颖,形式日益复杂,规模日益庞大.这对该类结构的分析计算工作提出了更高的要求.一方面,近来以来,大跨结构的静力计算、优化设计、位移跟踪等理论和方法已经比较成熟； 另一方面,大跨结构的动力响应计算分析方法仍然比较薄弱,风振、地震响应的计算结果可靠性、准确性不易保证.然而,由于空间结构自重较轻,刚度不大,动力荷载可能在设计中占据控制地位,值得深入研究考察. 基于VC++语言编制了大跨度结构风振系数计算和结构动力时程分析程序； 在此基础上,对大跨度空间结构风振响应和地震响应的时频计算方法作了深入考察,对其中关键参数作了说明和建议；并且提出了可供工程设计参考的实用计算方法. 首先,本文总结了脉动风荷载的表述方法以及随机振动的基本理论,详细分析风振响应计算的频域法,以及位移和内力风振系数的表达方法,提出一致风振系数的概念.通过引入应变能概念,解释了模态贡献,建议了合理截断数.通过大量的实例计算,考察各种参数在常用变化范围内变化对风振响应的影响,提出了双层柱面和球面网壳的风振系数取值公式.文中列举了一些工程结构的位移风振系数分布图. 其次,本文详细研究了大跨度空间结构抗震计算之振型分解反应谱法.笔者认为现行规范对于参振模态的规定过于笼统,仿照高层结构计算中的相关概念,推导了大跨度结构的振型参与质量和振型参与系数的概念和计算方法,并利用之确定合理的参振模态.针对未知高阶模态可能贡献较大的情况,提出基于残量的虚拟模态法,可有效补充未被计算的高阶模态. 最后,本文研究了大跨度空间结构动力响应时程分析方法,基于隐式积分格式编制了空间结构动力时程计算程序:阐述了适合大跨度空间结构计算的非线性隐式迭代格式；并结合工程算例比较了振型分解反应谱法和动力时程分析法的计算结果,认为地震振型分解反应谱法的计算结果不一定保证超过时程计算的最大值,因而对大跨空间结构进行时程分析是非常有必要的.

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1大跨度空间结构的发展和基本计算方法

1.2结构动力分析的研究思路

1.3大跨度空间结构风振分析现状

1.3.1风荷载的描述方法

1.3.2风振响应的计算

1.4大跨空间结构的地震响应计算和直接积分法

1.4.1大跨空间结构地震响应的计算

1.4.2直接积分法

1.5研究对象和研究假定

1.6本文主要工作内容

参考文献

第二章风荷载的特性和表述

2.1引言

2.2平均风荷载的特性和表述

2.2.1基本风压

2.2.2风压高度系数

2.2.3风荷载体型系数

2.3用于风振分析的随机振动概念和假定

2.3.1随机过程假定

2.3.2自相关和互相关函数

2.3.3功率谱密度

2.4脉动风荷载的特性和表述

2.4.1湍流强度、湍流度剖面和湍流积分尺度

2.4.2脉动风速功率谱

2.4.3脉动风空间相干函数

2.4.4建筑物上的脉动风压

2.5风振响应的计算方法

2.5.1背景响应和共振响应

2.5.2基于随机振动的模态叠加法

2.6本章小结

参考文献

第三章空间结构风振分析的程序编制和实用方法

3.1引言

3.2大跨度空间结构的自振模态

3.3大跨空间结构风振响应的频域分析法

3.3.1风振响应的频域分析法和风振系数

3.3.2应变能和模态截取

3.4空间结构风振系数计算程序

3.4.1数值积分算法

3.4.2程序界面和功能

3.5空间网格结构风振系数实用取值公式

3.5.1参数选取和变动范围

3.5.2各类参数对风振系数的影响

3.5.3两类网壳的风振系数实用公式

3.6工程实例

3.7本章小结

参考文献

第四章空间结构抗震计算的振型分解反应谱法和虚拟模态法

4.1引言

4.2振型分解反应谱法和模态质量参与系数

4.2.1振型分解反应谱法

4.2.2地震反应谱

4.2.3模态质量参与系数

4.3虚拟模态方法

4.3.1虚拟模态的概念和计算

4.3.2工程实例

4.4本章小结

参考文献

第五章大跨空间结构的动力时程响应计算和程序编制

5.1引言

5.2动力时程分析基本方程

5.3动力平衡方程的直接积分法

5.3.1显式积分法

5.3.2 Wilson-θ格式

5.3.3Newmark族格式

5.4非线性动力问题

5.4.1几何非线性问题的应力和应变表述

5.4.2几何非线性问题的解法

5.4.3杆系结构的随动单元坐标法

5.4.4动力问题的非线性迭代格式

5.5大跨空间结构的动力时程响应计算之程序编制

5.5.1程序构架

5.5.2程序界面

5.5.3程序说明

5.5.4验证算例

5.6工程算例

5.7本章小结

参考文献

第六章总结和展望

6.1本文主要成果

6.1.1程序模块开发

6.1.2空间结构风振系数实用公式

6.1.3振型分解法模态截取判据

6.1.4构造虚拟模态方法

6.2后续研究展望

致谢