大跨贝壳形屋盖风荷载特性的数值模拟与风振响应研究

摘要

大跨屋盖结构柔度大、自振频率低，且体型复杂，对风荷载十分敏感。随着此类屋盖结构的广泛应用，风致破坏时有发生。其中，大跨贝壳形屋盖造型独特，无论是其结构特性还是风荷载分布均与常见大跨结构有所不同。但是，目前针对大跨贝壳形屋盖抗风方面的研究还鲜有报道。本文以天津于家堡高铁站房屋盖为工程背景，基于计算流体动力学、线性滤波AR理论以及动力时程分析技术，研究了大跨贝壳形屋盖的风荷载特性、风振响应及等效静力风荷载。　　首先，基于计算流体动力学(CFD)技术，对大跨贝壳形屋盖的表面平均风压分布进行了数值模拟，通过与已有风洞试验结果的对比分析，验证了数值模型的合理性与有效性。探讨了屋面装饰条对屋盖风荷载特性的影响，比较分析了屋盖在有无装饰条情况下的风荷载升力系数、局部体型系数以及速度矢量分布的变化规律及影响机理。　　然后，基于多维AR线性滤波原理，以Davenport脉动风速功率谱为目标谱，采用MATLAB编程软件，实现了屋盖节点脉动风速时程的模拟，得到了满足相应随机性和目标谱特性的脉动风荷载时程曲线。　　最后，采用MidasGen软件建立屋盖结构的空间杆系有限元模型，输入节点风荷载时程数据并进行非线性动力时程分析，得到了脉动风荷载下屋盖结构位移响应，计算出了各节点和屋面局部分区的位移风振系数。分别采用IWL法、LRC法和GLF法计算了大跨贝壳形屋盖结构的等效静力风荷载，并对计算结果进行对比分析，得出了对大跨贝壳形屋盖结构抗风设计具有参考意义的建议。　　研究结果表明：装饰条的设置并不改变大跨度贝壳形屋盖以吸力为主的风荷载作用机制，但有装饰条屋盖会降低整体风压而局部出现小区域高负压；装饰条利于结构整体抗风设计，但对于装饰条及其周围区域应加强局部抗风设计；风振响应分析表明，大跨贝壳形屋盖以竖向振动为主，且集中体现在屋盖顶部周围；等效静力风荷载方面，三种方法计算值存在一定误差，变化规律一致。

目录

声明

第 1 章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 大跨屋盖结构抗风设计方法

1.2.2 大跨屋盖结构风荷载

1.2.3 大跨屋盖结构风振响应

1.2.4 大跨屋盖结构等效静力风荷载

1.3 本文主要工作

第 2 章大跨贝壳形屋盖风荷载特性的数值模拟

2.1 数值模拟的基本方法与理论基础

2.1.1 湍流的控制方程

2.1.2 湍流的数值模拟方法

2.1.3 控制方程的离散化

2.1.4 数值模拟的一些建议

2.2 屋盖CFD数值模拟过程

2.2.1 基本参数

2.2.2 几何建模与网格划分

2.2.3 边界条件的确定

2.2.4 数值计算

2.3 模拟结果与风洞试验对比分析

2.3.1 长短轴测点风压系数

2.3.2 屋面风压体型系数

2.4 装饰条对屋盖风荷载特性的影响

2.4.1 风荷载升力系数

2.4.2 风荷载局部体型系数

2.4.3 装饰条对屋盖风荷载特性的影响机理

2.5 本章小结

第 3 章基于多维AR 线性滤波的脉动风速与时程风荷载

3.1 大气边界层风特性

3.1.1 平均风特性

3.1.2 脉动风特性

3.2 脉动风速的模拟方法

3.2.1 线性滤波法

3.2.2 谐波叠加法

3.3 基于多维AR线性滤波的屋盖风速时程

3.3.1 多维AR线性滤波的基本原理

3.3.2 脉动风速时程模拟过程与结果

3.3.3 风荷载时程模拟结果

3.4 本章小结

第 4 章 大跨贝壳形屋盖风振响应分析

4.1 风振响应理论

4.1.1 时域分析法

4.1.2 风振系数

4.2 贝壳形屋盖空间杆系有限元模型

4.3 风振响应分析与结果

4.3.1 模态分析

4.3.2 位移响应

4.3.3 位移风振系数

4.4 等效静力风荷载计算

4.5 本章小结

结论与展望

本文工作总结

未来研究展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文