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大跨屋盖结构风荷载特性与风致响应的深度剖析与实践研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代建筑技术的飞速发展以及人们对建筑空间需求的不断提升，大跨屋盖结构在各类大型公共建筑中得到了极为广泛的应用。体育场馆、机场航站楼、展览馆以及大型车站等建筑，常常采用大跨屋盖结构，以满足其对开阔、无柱大空间的功能需求，同时展现出独特的建筑美学效果。例如，2008年北京奥运会的“鸟巢”国家体育场，其大跨度空间结构不仅为观众提供了广阔的视野和舒适的观赛环境，更成为了一座具有标志性意义的建筑杰作，彰显了我国在建筑领域的先进技术水平。

大跨屋盖结构具有跨度大、结构形式多样、自重较轻以及阻尼较小等显著特点。这些特点使得大跨屋盖结构在风荷载作用下的响应变得极为复杂，风荷载成为了影响其安全性与稳定性的关键控制因素。当强风来袭时，大跨屋盖结构可能会产生较大的振动、变形，甚至面临局部破坏或整体倒塌的风险。回顾历史上的风灾事件，如2018年台风“山竹”登陆我国广东地区，部分大跨屋盖结构的厂房、仓库等建筑遭受了严重的破坏，屋面被掀翻，结构受损严重，不仅造成了巨大的经济损失，还对人民的生命财产安全构成了威胁。

风荷载的作用机理较为复杂，它受到多种因素的综合影响。来流风的特性，如平均风速、风速脉动、风向等，对风荷载的大小和分布起着决定性作用。不同地区的气象条件差异较大，导致来流风特性各不相同，从而使得大跨屋盖结构所承受的风荷载具有明显的地域特征。大跨屋盖结构的体型、几何尺寸以及表面粗糙度等自身特性，也会显著影响风流在其表面的流动形态，进而改变风荷载的分布规律。当风流流经大跨屋盖结构时，会在结构表面形成复杂的压力分布，可能出现局部高压区和低压区，这些区域的存在对结构的受力状况产生重要影响。周围环境，如地形地貌、周边建筑物的布局等，也会通过改变风场的分布，间接影响大跨屋盖结构所承受的风荷载。在山区等地形复杂的区域，地形的起伏会导致风速和风向的变化，使得大跨屋盖结构受到的风荷载更加复杂多变；而在城市中，周边建筑物的存在可能会形成风的干扰效应，增加或减小大跨屋盖结构某些部位的风荷载。

准确把握大跨屋盖结构的风荷载特性，深入研究其风致响应，对于保障结构的安全性与稳定性具有至关重要的意义，具体体现在以下几个方面：

指导工程设计：通过对风荷载特性及风致响应的研究，可以为大跨屋盖结构的设计提供更为准确、可靠的依据。在设计过程中，合理考虑风荷载的影响，能够优化结构形式和构件尺寸，提高结构的抗风能力，确保结构在服役期内能够安全承受风荷载的作用，避免因风荷载作用导致的结构破坏或失效，从而保障建筑的正常使用和人们的生命财产安全。

降低建设成本：精确的风荷载及风致响应研究成果，有助于在满足结构安全要求的前提下，避免过度设计，实现结构材料的合理使用，降低工程造价。例如，通过对风荷载分布规律的深入了解，可以在风荷载较小的区域适当减小构件尺寸，从而节省建筑材料，降低建设成本；同时，优化的结构设计还可以减少施工难度和施工周期，进一步降低工程建设的总成本。

促进技术发展：对大跨屋盖结构风荷载特性及风致响应的研究，能够推动风工程领域相关理论和技术的不断发展与完善。这不仅有助于解决现有大跨屋盖结构的抗风问题，还为未来新型大跨屋盖结构的设计和建造提供技术支持，促进建筑结构领域的技术创新和进步，使我国在大跨屋盖结构建设方面始终保持国际先进水平。

综上所述，大跨屋盖结构风荷载特性及风致响应的研究是一项具有重要理论意义和工程实用价值的课题，对于推动现代建筑技术的发展、保障建筑结构的安全具有不可替代的作用。

1.2国内外研究现状

大跨屋盖结构风荷载特性及风致响应的研究一直是风工程领域的重要课题，国内外学者在该领域开展了大量研究工作，取得了丰硕成果。

在风荷载特性研究方面，风洞试验是一种常用且重要的研究手段。国外学者如Surry等早在20世纪70年代就开始利用风洞试验研究建筑结构的风荷载，为后续研究奠定了基础。国内学者在风洞试验研究上也不断深入，谢壮宁等人针对不同形式的大跨屋盖结构进行了风洞测压试验，详细分析了屋盖表面的风压分布规律，发现大跨屋盖结构的边角区域往往会出现较大的负压，这些区域在抗风设计中需重点关注。林韬略等通过对跨度长达1.7km的深圳国际会展中心进行节段模型风洞测压试验，考虑了不同展馆之间的相互干扰效应，研究表明节段模型方法可较准确地反映不同展区屋盖之间的相互干扰影响，展馆间的风敏感位置的极值负压干扰系数最大可达1.26。

数值模拟技术的发展为大跨屋盖结构风荷载特性研究提供了新的途径。随着计算机技术的飞速进步，计算流体力学（CFD）方法在风工程领域得到了广泛应用。通过建立大跨屋盖结构的数值模型，模拟风流场在结构表面的流动情况，进而计算出结构所承受的风荷载