文档介绍：同济大学
博士后学位论文
大跨度柔性鞍型索网屋盖风压特性及风致响应研究
姓名:李方慧
申请学位级别:博士后
专业:土木工程
指导教师:顾明
20091201
内容摘要大跨度柔性索网结构作为张力结构的代表类型,具有重量轻、阻尼低等特点,对风荷载非常敏感,风荷载往往是该类结构设计的控制荷载。大变形、非线性效应等因素导致传统结构的抗风设计理论和计算方法很难直接应用。相比而言,大跨度柔性索网结构抗风设计方法的研究还有待不断完善。本文主要针对考虑大变形、非线性效应的索网结构抗风设计的几个关键问题进行研究。利用刚性模型风洞试验同步测量的风压数据,对鞍型柔性索网屋盖结构风压特性进行研究,考察风向角、地貌类型、底部封闭和开敞等因素的影响。对大跨度柔性索网进行考虑非线性效应的时程响应全过程分析,研究索拉力、风速大小、地貌类型等因素对响应结果的影响。关键词:大跨柔性鞍型索网结构;风压分布特性;风致响应;风洞试验注:本文鞍型屋盖风洞试验是由土木工程防灾国家重点实验室顾明教授风工程研究团队中潘钧俊博士完成,本文直接引用实验测量数据进行分析。
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第滦髀研究的背景大跨度柔性索网结构是张力结构的代表类型。以简洁的风格和快捷的施工工艺,在体育馆、展览中心等建筑中得到了广泛应用,不仅可以用于通透式玻璃幕墙的支撑体系,而且可以作为大跨度低矮屋盖的承重体系。索网结构充分利用材料的强度,大大减轻结构自重,在保证经济性的前提下能够具有较大的跨度。结构自重轻、阻尼低,对地震荷载有较好的适应性,但是对风荷载却非常敏感,风荷载可能成为大跨度索网结构设计的控制荷载,悬索结构在风荷载作用下发生大变形的振动过程,可能导致结构破坏。索网结构抗风设计理论的复杂性已成为制约其进一步发展的瓶颈,原因主要表现在如下几个方面:捞氐氖芰μ逑怠索网结构的受力不同于常规的结构体系,在分析过程中通常假设悬索结构只能承受拉力而不能承受压力和弯矩作用。通过施加预拉力使得结构具有一定刚度从而能够承受外荷载的作用,导致在抗风分析过程中具有一定独特性。由于索网结构与高层建筑、刚性屋盖结构的抗风机理有很大的不同,传统结构抗风设计的一些研究方法和成果不能直接被应用。此外,有别于传统结构,索网结构动力响应分析过程应当具有一个初始态,分析过程中初始态的合理选定是非常重要的。丛拥耐牧魈匦院头绾稍氐姆嵌ǔP由于大跨度索网结构在应用过程中创造了丰富多彩的结构形式,流动分离、再附等湍流现象导致结构表面风压场分析的复杂性。.’
流场有明显的三维效应,风荷载具有非定常性。峁勾蟊湫巍⒎缬虢峁瓜嗷プ饔玫挠跋索网结构通过施加初始预张力赋予结构一定形状,才能抵抗外荷载作用。该类结构作为柔性张拉结构,对外荷载的抵抗是通过调节自身形状来实现的,结构除产生弹性变形外还会产生较大机构性位移,具有很强几何非线性。脉动风振作用使得结构产生运动,同时结构的运动又对风压场产生影响,风与结构相互作用导致风荷载及风致响应分析的复杂性。窍咝孕в索网结构受随机风荷载作用时,其平衡方程必须建立在变形以后的形态上,结构的位移与应变之间不再成线性关系,同时外荷载和索内力之间也不再成线性关系,悬索结构受力分析过程中不能应用线性叠加原理。严格来说,由于结构的大变形,风荷载随结构的瞬时形状而不同;一此外,随着结构的变形,结构的刚度也变化,呈现变刚度特性。舾械慕峁棺哉裉匦索网屋盖结构的固有频率随跨度和重力荷载以及悬索中的初始预拉力而发生变化。通常跨度大于米的悬索屋盖,具有相应于风频谱上的较低的共振频率。因此,有必要进行风致动力响应分析,特别是非线性动力分析具有重要意义。经过长期的研究,索网结构在工程设计中的相关问题得到不断的解决和完善,如结构构造和施工、静力分析等。但在其抗风设计理论研究方面却没能形成完整的体系,特别是抗风设计实用方法的研究上进展缓慢。如沿用传统结构的抗风设计概念没能反应出大跨度柔性索网结构的特点,因此,需要探索适合的研究思路和方法,使得大跨度索网结构抗风设计理论和实用设计方法不断完善,从而第滦髀.’.
国内外研究现状大跨度柔性索网结构的振动特性、风荷载确定、风致响应计算促进这种结构类型的蓬勃发展。方法等方面一直是研究的热点,由于在理论和实验方面存在一定难度,研究成果在不断的完善中。下面对研究现状分几方面进行阐述。岣欢嘌慕峁固逍偷贾滤魍峁贡砻娣缪钩〉母丛有裕构表面风荷载的确定以及风压分布特性分析很多学者进行了研究。在研究初期,脉动风荷载的确定大都采用准定常假设.,通过数值模拟来获得。随着实验条件和测量水平的发展,利用风洞实验获得风压时程数据逐渐增多。数值模拟的方法很多,杨庆山采用风荷载的滤波过程生成脉动风速,赵臣采用模型模拟风速时程。同步测压刚性模型风洞实验可以直接获得悬索结构非定常