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弦支穹顶结构自振特性与动力性能的深度剖析及工程应用研究

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，大跨空间结构在各类公共建筑中得到了广泛应用，如体育场馆、展览馆、机场航站楼等。这些建筑对空间的高效利用和独特的建筑造型提出了更高要求，弦支穹顶结构应运而生。弦支穹顶结构是一种新型的杂交空间结构体系，它将单层网壳结构的刚性与索穹顶结构的柔性相结合，充分发挥了两者的优势，具有受力合理、造型美观、造价经济等特点。自1993年由日本法政大学川口卫教授提出以来，弦支穹顶结构在国内外众多大型工程中得到应用，展现出广阔的发展前景。

对于弦支穹顶结构而言，自振特性是其固有动力特性的重要体现，直接反映了结构的刚度分布和质量分布情况。准确掌握自振特性，有助于深入理解结构在动力荷载作用下的响应规律，为结构的抗震、抗风设计提供关键依据。动力性能分析则是研究结构在地震、风荷载等动力作用下的内力、位移响应以及结构的动力稳定性等，这对于确保弦支穹顶结构在复杂自然环境下的安全性和可靠性至关重要。在地震频发地区，弦支穹顶结构作为体育馆、展览馆等人员密集场所的屋盖结构形式，其抗震性能直接关系到人民生命财产安全。合理的动力性能设计能够使结构在地震作用下有效耗散能量，避免发生破坏或倒塌。在风荷载作用较为显著的区域，研究弦支穹顶结构的风振响应，对于优化结构设计、减小风致振动对结构的不利影响具有重要意义。通过深入研究弦支穹顶结构的自振特性及动力性能，可以为该结构体系的设计、施工和维护提供科学依据，提高结构的安全性、可靠性和经济性，推动其在工程实践中的广泛应用。

1.2国内外研究现状

国外对弦支穹顶结构的研究起步较早，在理论分析和试验研究方面取得了一定成果。在自振特性研究方面，学者们运用有限元方法对不同形式的弦支穹顶结构进行了自振频率和振型计算，分析了结构参数如矢跨比、撑杆长度、拉索预应力等对自振特性的影响。一些研究表明，矢跨比是影响自振性能最敏感的因素，拉索预应力及杆件截面对自振频率的影响相对较小。在动力性能研究方面，国外学者通过地震模拟振动台试验和数值模拟，研究了弦支穹顶结构在地震作用下的响应规律，提出了相应的抗震设计方法和建议。同时，对弦支穹顶结构的风振响应也进行了一定研究，采用风洞试验和数值模拟相结合的方法，分析了风荷载作用下结构的位移和内力响应。

国内对弦支穹顶结构的研究也在不断深入。在自振特性研究中，众多学者基于不同的有限元软件建立模型，对弦支穹顶结构的自振特性进行参数分析，研究成果与国外相关研究有一定的相似性，但在具体结构形式和参数取值范围上存在差异。在动力性能研究方面，国内学者除了研究地震和风荷载作用下的结构响应外，还关注结构在温度变化、冲击荷载等其他动力荷载作用下的性能。一些研究通过对实际工程的监测和分析，验证了理论分析和数值模拟的结果，为工程实践提供了有益参考。然而，目前国内外研究仍存在一些不足之处。对于复杂边界条件和多种动力荷载耦合作用下弦支穹顶结构的自振特性及动力性能研究还不够深入；在试验研究方面，由于试验条件和成本限制，大型足尺试验较少，模型试验的相似性和准确性还有待提高；在设计理论和方法方面，虽然已经取得了一些成果，但尚未形成完善的设计规范和标准，难以满足工程实践的需求。

1.3研究内容与方法

本文将全面深入地研究弦支穹顶结构的自振特性及动力性能。在研究内容上，首先对弦支穹顶结构的自振特性进行深入分析，包括建立高精度的有限元模型，计算不同结构参数（如矢跨比、撑杆高度、环索布置方式、预应力大小等）下结构的自振频率和振型，通过参数分析明确各参数对自振特性的影响规律和敏感程度。其次，对弦支穹顶结构在多种动力荷载作用下的动力性能展开研究，具体包括地震作用下，输入不同类型的地震波（如ElCentro波、Taft波、人工波等），分析结构在多遇地震、设防地震、罕遇地震和极罕遇地震下的内力、位移响应以及结构的动力稳定性；风荷载作用下，考虑不同的风场特性和风向角，采用风洞试验和数值模拟相结合的方法，研究结构的风振响应规律，分析风振系数的变化情况；温度作用下，探讨温度变化对结构内力和位移的影响，研究结构的温度应力分布规律。

在研究方法上，采用数值模拟与实验研究相结合的方式。数值模拟方面，运用通用有限元软件ANSYS、SAP2000等建立弦支穹顶结构的精细化有限元模型，考虑材料非线性、几何非线性以及边界条件的影响，对结构的自振特性和动力性能进行模拟分析。通过对模型的参数化设计，方便快捷地改变结构参数，进行大量的参数分析，提高研究效率和准确性。实验研究方面，设计并制作弦支穹顶结构的缩尺模型，开展振动台试验，模拟地震作用下结构的动力响应，获取结构的加速度、位移和应变等数据，验证数值模拟结果的准确性和可靠性。同时，通过对实验数据的分析