索穹顶结构耦合风振研究

论文摘要

索穹顶结构除少数几根杆件受压外,其余杆件都处于张力状态,所以充分发挥了钢索的高强特性,且索穹顶结构一般以膜材为覆盖材料,具有自重轻、跨度大及建筑造型自由丰富的特点。由于这种结构同时集新材料、新技术、新工艺和高效率于一体,所以被认为是代表当今国际空间结构发展最高水平的结构形式。索穹顶结构具有如下的特点:跨度及柔性大,低阶自振频率小,非线性特征明显;自振频率密集且相互耦合;空间曲面及绕流特性复杂;膜在风荷载作用下振幅较大,结构场与流体场间的流固耦合效应不可忽略。所有这些特点使得索穹顶结构对风的作用非常敏感,但到目前为止,针对索穹顶结构的抗风分析还很少,而且这些分析都没有充分考虑上述索穹顶结构的受力特点。据此,本文分别采用数值风洞方法及简化气弹力学模型方法对索穹顶结构的耦合风振问题进行了研究,并将求解结果与试验值作了对比。第一章在查阅国内外相关文献的基础上,简要回顾了索穹顶结构的发展历史、工程应用及研究现状,并确定了本文的主要研究内容。本文第二章总结和推导了大跨度张力屋盖结构体系的气弹模型风洞试验所需满足的相似准则,并对肋环型索穹顶结构气弹模型风洞试验的数据进行了统计和分析。气弹模型风洞试验是对理论分析进行检验的重要依据。第三章基于ADINA软件所提供的流固耦合功能采用不同湍流模型对索穹顶结构进行了耦合风振分析。在耦合风振分析中数值风洞方法极具应用前景,但在目前的技术条件下这种方法还存在一定的制约。本文第四章推导了索穹顶结构耦合风振分析的简化气弹力学模型。在模型的参数计算上,采用奇点配置法推导了三维情形下结构振动诱导流场附加质量的数值计算方法;联合采用经验模态分解、改进的随机减量法及Hilbert变换对索穹顶结构的气动阻尼进行了识别分析;推导了基于本征正交分解的降阶谱解法。基于简化气弹力学模型的索穹顶结构耦合风振分析结果与试验的对比表明,该方法可以较好地应用于索穹顶结构的耦合风振分析。第五章采用简化气弹力学模型耦合风振分析方法对目前两种主要的索穹顶形式——肋环型和葵花型索穹顶结构进行了耦合风振参数分析,根据统计结果研究了位移及内力响应随各种参数的变化规律,并对位移及内力响应风振系数的取值提出了建议。论文最后对本文的研究内容及成果进行了总结,并指出了今后的研究方向。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 索穹顶结构的发展和现状
• 1.2 本文的研究背景和方法
• 1.2.1 结构的形态及稳定性分析
• 1.2.2 静动力受力性能分析
• 1.2.3 施工过程分析
• 1.2.4 试验研究
• 1.2.5 风振研究
• 1.3 本文的主要工作
• 2 索穹顶结构的气弹模型风洞试验
• 2.1 相似准则
• 2.2 模型的设计与制作
• 2.3 试验方法与工况
• 2.4 试验结果与分析
• 2.4.1 风速对加速度及位移响应的影响
• 2.4.2 风向角对加速度及位移响应的影响
• 2.5 功率谱密度
• 2.6 本章小结
• 3 索穹顶结构耦合风振分析的数值风洞方法
• 3.1 概述
• 3.2 流体计算模型及流固耦合算法
• 3.2.1 流体计算模型
• 3.2.2 流固耦合算法
• 3.3 索穹顶结构的耦合风振分析数值算例
• 3.4 本章小结
• 4 索穹顶结构耦合风振分析的简化气弹力学模型方法
• 4.1 概述
• 4.2 气动力参数的计算
• 4.2.1 附加质量
• 4.2.2 气动阻尼
• 4.2.2.1 经验模态分解法
• 4.2.2.2 改进的随机减量法
• 4.2.2.3 Hilbert变换
• 4.2.3 气承刚度
• 4.2.4 风速风压时程的模拟
• 4.2.4.1 谱解法
• 4.2.4.2 本征正交分解
• 4.2.4.3 降阶谱解法
• 4.3 肋环型索穹顶结构的耦合风振简化气弹力学模型分析
• 4.4 本章小结
• 5 索穹顶结构的耦合风振响应参数分析
• 5.1 概述
• 5.2 考虑耦合因素时对位移及内力风振系数的影响
• 5.3 位移及内力响应参数分析
• 5.3.1 参数分析方案
• 5.3.2 肋环型索穹顶结构参数分析
• 5.3.3 葵花型索穹顶结构参数分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 今后的研究工作
• 参考文献
• 作者简历
• 攻读博士学位期间所发表的论文