大跨度张拉结构风致动力响应的研究进展.pdfVIP

——————————————I堂皇里堕塑墨三矍兰查鱼些笙苎叁 大跨度张拉结构风致动力响应研究进展+ 沈世钊武岳 啥尔滨工业大学土木工程学院150090 摘要：大跨度张拉结构的风致动力响应研究一直是风工程领域关注的焦点．但具有较大的 理论难度·本文结台作者及其梯队近年来所做的工作，介绍了国内外在悬索和薄膜结构风报 分析领域所进行的理论研究、实验分析和数值模拟方面的研究进展．着重介绍了薄膜结构在 考虑流固耦台作用下的气动弹性性能研究． 关麓词：悬索结构薄膜结构风振分析气弹失穗 一、概述 索结构、膜结构是应用十分广泛的大跨度空间结构。这类柔性结构的一个显著特点 是，索和膜不具有弯曲刚度，结构对外荷载的抵抗是通过改变自身形状来实现的。所以结 构的变形比较明显，而且结构刚度与变形相关，表现出明显的几何非线性特点。此外，这 类屋盖结构的重量通常都比较轻：膜结构自不待言．悬索结构一般也均采用轻屋面构造。 这些特点决定了张拉结构对风荷载的作用十分敏感。在索、膜结构设计中，风是起决定性 作用的外荷载。 与此同时，关于这类结构风致动力响应问题的研究还十分薄弱。索、膜结构不仅具有 较强的几何非线性，而且作为多自由度的复杂三维体系，其自振频率密集分布且相互耦 合；所以传统的以随机振动频域分析为基础的振型分解法已不适用．现有的一些非线性随 机振动分析方法，如FPK法、统计线性化方法和摄动法等，丈都只适用于弱非线性系统或 受白噪声激励的情况，对于强非线性或非白噪声激励问题也无法采用。文献【3’41结合太跨 索、膜结构风振响应的特点，发展了一种以动力状态方程在时间域内离散化为基础的随机 振动数值分析方法，文献【6】则发展了另一种以风速激励曲线的计算机模拟为基础的随机振 动时域分析方法。这些方法都可以用来分析风激励作用下复杂非线性体系的均值响应和均 方响应。文献辑6】用上述方法对索、膜结构进行了大量的算捌分析和系统的参数分析．得 到了一些有参考价值的数据和结论。国外文献中也可以找到一些类似的方法【l“”。 上述各种随机振动分析方法都是建立在来流已知的基础之上的，它们无法考虑由于结 构振动引起的局部流场变化。也就是说，它们均忽略了实际存在的“流固耦台”作用。对 于实际的柔性屋益，不同结构体系的风振特性也有差别。例如采用传统刚性屋面的某些悬 索结构体系具有较好的整体工作性能(局部变形较小)，结构的整体位移对空气流场的影 响不大，这类结构在脉动风作用下的振动一般属于限幅随机振动，上述各种随机振动分析 ·本文为固家自然科学基盘九五t大项目(卵始54Io)的部分研究内容 10 第十届全国结构风工程学术会议论文集 方法可以较好地反映它们的风振响应，与风洞实验的结果也较吻台。大跨度膜结构(包括 用索加强的膜结构，即索．膜结构)的风振则具有不同特点；膜既是受力构件又是覆面材 料，质轻而薄，局部刚度较小，在脉动风作用下，部分膜单元的位移、速度和加速度响应 相当太，对周围流场会产生较大影响，流固耦合作用会导致较明显的气弹反应和可能的动 力失稳现象。 ， 索、膜结构等三维体系的流固耦舍问题十分复杂，这方面的研究大大落后于高耸结构 和桥梁结构方面的类似研究。文献【9】提出了一种简化的气动弹性模型，用一些系数来模拟 流体与结构之间的气动力作用，同时还引入了附加质量、声致阻尼和气承刚度等新概念， 各用相应的参数或系数来模拟。这些代表流固耦合作用的参数或系数需由实验或半理论半 实验的方法来确定。目前，这种简化理论还只能初步解决极其简单的问题，离实用尚远。 因此，借鉴桥梁、飞机等工程领域的经验，综合运用计算流体力学和计算结构力学的方 法，开发适用于大跨柔性结构的数值风洞技术，以便对流体-结构的耦台效应进行更精确的 数值模拟，并进一步对各种可能的气弹失稳现象进行探索，无疑是一种有前途的研究方 法。这种方法的理论难度较大，但十分吸引人，已成为当前的前沿研究领域，也已取得了 一定进展…。 二、几种非线性随机振动方法 1 随机振动离散分析方法”4J 这是针对索、膜结构这类自振频率密集分布且相