张拉膜结构风振响应分析

论文摘要

张拉膜结构是近年来在我国应用极其广泛的一种结构形式,该结构由于造型飘逸、结构抗震性能好等优点,受到了越来越多的年轻工程师的喜爱,但同时其对风荷载极为敏感,风荷载为其控制荷载,并且张拉膜结构造型新颖,形状极不规则且鲜有雷同,荷载规范无法针对每种形状都给出适用的结构体型系数,这使得工程师在进行抗风设计时带有强烈的个人因素,并且该结构形式具有强烈的非线性特性,使其风振研究更加困难。目前,人们对于膜结构风振理论的研究并不成熟,事故频发的膜结构风振破坏事故,提醒人们必须对其展开深入研究。本文以CFD理论为基础,采用流体分析软件Fluent 12.0探讨了数值风洞技术的模拟方法,并验证了其可行性。对鞍形张拉膜、悬链面膜和伞形膜等三种不同形状的膜结构进行了数值风洞模拟,详细探讨了在不同风向角风荷载作用下的鞍形膜体型系数的划分方法,得出了便于工程使用的体型系数。根据线性滤波器(AR)法理论,考虑时间相关性及空间相关性,采用Matlab语言编制脉动风速时程模拟程序,详细讨论了影响脉动风数值模拟精度和效率的各参数。以鞍形张拉膜为例,对其进行自振特性研究,系统分析了膜预应力、索预应力、膜张拉刚度和矢跨比等参数对振型贡献率的影响。采用数值模拟得到的脉动风荷载时程,借助有限元分析软件ANSYS12.0对鞍形张拉膜进行非线性时程分析,由于膜结构的张力分布情况直接反映张拉膜是否发生了皱褶或松弛,本文详细讨论了膜预应力、索预应力、膜张拉刚度和矢跨比等参数对膜张力分布的影响,分析了其可能发生皱褶、松弛或破坏的区域。以世博轴张拉膜结构为例,采用一种全新的随机振动分析方法—等效激励法,对该结构进行了随机风振响应分析。该方法兼顾了时程分析和随机振动分析的优点,计算方便、快捷,与虚拟激励法相比,该方法不受结构形式的限制,并且与传统CQC法具有相同求解精度,但计算效率更高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的意义与目的
• 1.2 膜结构的运用与发展
• 1.3 膜结构风振理论研究现状
• 1.3.1 膜结构的研究过程
• 1.3.2 膜结构风振理论研究进展
• 1.3.3 膜结构的研究热点
• 1.4 本文主要工作及研究方法
• 第二章 膜结构体型系数数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 数值风洞
• 2.2.1 计算区域的选择
• 2.2.2 网格划分
• 2.2.3 边界条件的设置
• 2.2.4 湍流模型
• 2.2.5 收敛准则
• 2.2.6 其它参数
• 2.3 TTU 模型
• 2.4 风荷载体型系数
• 2.5 典型膜结构体型系数
• 2.5.1 平均风压系数
• 2.5.2 区域风荷载体型系数
• 2.6 本章小结
• 第三章 脉动风速时程数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 风荷载特性
• 3.3 近地风特性
• 3.3.1 指数率
• 3.3.2 对数率
• 3.4 脉动风特性
• 3.4.1 湍流强度
• 3.4.2 湍流积分尺度
• 3.4.3 功率谱密度函数
• 3.4.4 空间相关性
• 3.5 线性滤波器法
• 3.6 算例分析
• 3.7 AR 法数值模拟参数讨论
• 3.8 本章小结
• 第四章 张拉膜结构风致动力响应分析
• 4.1 引言
• 4.2 膜结构自振特性分析
• 4.2.1 膜的张拉刚度对振型贡献率的影响
• 4.2.2 膜的预张力对振型贡献率的影响
• 4.2.3 索的预张力对振型贡献率的影响
• 4.2.4 矢跨比对振型贡献率的影响
• 4.3 时程分析
• 4.3.1 时程分析流程
• 4.3.2 非线性分析理论
• 4.4 受力状态分析
• 4.4.1 膜单元应力状态
• 4.4.2 索单元应力状态
• 4.5 算例分析
• 4.5.1 位移时程分析
• 4.5.2 张力分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 张拉膜结构随机风振响应分析
• 5.1 引言
• 5.2 虚拟激励法理论
• 5.3 等效激励法理论
• 5.3.1 随机振动的等效激励法
• 5.3.2 均匀调制单点激励非平稳随机响应的等效激励法
• 5.3.3 基于等效激励法分析非线性结构的等效线性系统
• 5.4 等效激励法与虚拟激励法和传统计算效率的比较
• 5.5 基于等效激励法的张拉膜结构风振分析
• 5.6 算例分析
• 5.6.1 结构模态分析
• 5.6.2 位移方差
• 5.6.3 响应风振系数
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文工作及结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢