结构驰振理论分析及风振控制

论文摘要

风灾是人类所面对的可怕的自然灾害之一。在土木工程结构向大尺度、高柔方向发展的今天，风对高层建筑的影响也越来越显著。而结构振动控制作为一种新的抗震、抗风技术，概念简单、抗风效果显著、安全可靠、适合于不同抗风要求的土木工程结构，本论文主要围绕着横风向荷载中的弛振理论分析及风振控制展开研究，主要有以下几方面的内容： (1)应用三级数法求解横风向的弛振的非线性运动微分方程，得到了三维结构的简明的稳态响应和临界风速表达式。从理论上阐述了可能发生弛振的关键因素：既升力线斜率为较大的负值，也就是只有非流线型的剖面，形成气流分离的结构才可能出现。形成不稳定的充分条件是结构的质量轻、刚度小、阻尼小、或是高度(长度)大、长细比大。非线性速度平方项不影响临界风速值，但它使弛振的稳态响应加大，使频率减小，临界风速只取决于速度的一次项。而且弛振响应在最初的几分钟也几乎完全取决于速度的一次项。算例表明，该方法是有效的，可以很方便的应用到工程实际当中。 (2)研究了高层建筑结构横风向的弯曲和扭转的耦合振动。通过微元法建立了高耸结构的横向弯曲和扭转耦合振动的方程式，在推导了该耦合振动的运动微分方程式的同时进行了解耦和分析，并基于气流与结构间的夹角的关系，对引起结构弯曲和扭转的气动力进行了分析。和以往所研究的二维结构的不同，本文研究了三维结构，即固结于地面或是基岩之上的高耸结构弯扭耦合振动的稳定性条件。提出了一个求临界风速计算的简便公式。并给出了算例，得到了满意的结果。 (3)进一步研究了三维结构横风向弯曲和扭转的耦合振动。根据对该耦合振动运动微分方程的分析，首次推导出易解的两个自由度振动微分方程，较为精确地考虑了二阶项以内的空气动力各项，应用三级数法进行解析计算，并提出了三维结构弯扭颤振临界风速及其响应的简明公式，通过对临界风速及响应的分析，得出了结构的剖面形状对颤振的影响比较敏感的结论。 (4)在半主动控制策略—主动变刚度(AVS)的基础之上，提出了一种对高层建筑风振反应的半主动控制策略。方法是在很小的时间段中风荷载信号的主频率及其幅值的条件下，利用短时最大熵谱分析(STMEM)给出各小时间段中的频率，幅值和时间的三维关系，因此能准确给出变频信号在较短时间序列中的时频信息，进而提出

论文目录

• 独创性声明
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• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 风振及风效应
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 风及风对建筑结构的作用
• 1.2.2.1 风荷载的特性
• 1.2.2.2 顺风向效应
• 1.2.2.3 横风向效应及共振效应
• 1.2.2.4 结构的扭转响应
• 1.2.2.5 弯扭耦合产生的空气动力失稳
• 1.3 建筑结构抗风技术的发展
• 1.3.1 国际结构抗风领域技术的发展
• 1.3.2 国内结构抗风领域技术的发展
• 1.4 高层建筑和高耸结构的抗风设计要求
• 1.5 高层建筑和高耸结构风振控制的基本概念
• 1.6 本文的主要工作及主要创新点
• 1.6.1 本文的主要工作
• 1.6.2 本文工作的创新点及意义
• 1.6.2.1 本论文的主要的创新点
• 1.6.2.2 本文工作的意义
• 第二章 作用在结构上的风荷载
• 2.1 风的特性
• 2.1.1 近地风的特性
• 2.1.2 平均风的描述
• 2.2 有关风的标准条件
• 2.2.1 标准地面粗糙度类别
• 2.2.2 标准高度
• 2.2.3 平均风时距
• 2.2.4 风压高度变化系数
• 2.3 风荷载的计算
• 2.3.1 考虑横风向振动的风荷载
• 2.3.2 考虑横风向振动与纵向扭转振动的风荷载
• 2.3.3 空气动力系数简化
• 2.4 平均风速和脉动风速
• 2.4.1 顺风向静动力荷载
• 2.4.2 脉动风的主要特性
• 2.5 脉动风空间相干函数
• 2.6 脉动系数的确定
• 2.7 本章小结
• 第三章 基于三级数法的高耸结构弛振分析
• 3.1 引言
• 3.2 非线性系统自由振动的三级数法
• 3.2.1 非线性系统自由振动的三级数法的概念
• 3.2.2 非线性系统三级数法的解
• 3.3 平移结构弛振的稳定性
• 3.4 平移结构弛振的响应
• 3.5 振型分析
• 3.6 梁的弛振
• 3.7 横风向风对结构的作用力
• 3.7.1 结构的风力即效应分析
• 3.7.2 弛振运动方程式及其求解
• 3.7.3 弛振分析
• 3.8 算例
• 3.9 本章小结
• 第四章 高层建筑三维结构横风向弯曲耦合振动的稳定性分析
• 4.1 引言
• 4.2 二个自由度的稳定性
• 4.3 两个自由度结构的响应
• 4.4 扭振稳定性
• 4.5 高耸结构横风向弯曲和扭转耦合颤振方程式的建立
• 4.6 引起结构弯扭颤振的气动力
• 4.7 横向弯曲耦合振动的稳定性分析
• 4.8 算例及结果分析
• 4.9 本章小结
• 第五章 非流线型截面的三维结构弯扭耦合颤振分析
• 5.1 引言
• 5.2 三维结构横风向弯曲和扭转耦合的颤振方程
• 5.3 三维结构横风向弯曲扭转耦合振动的颤振分析
• 5.4 算例
• 5.5 本章小节
• 第六章 基于最大熵谱法的结构风振反应控制策略
• 6.1 引言
• 6.2 结构的半主动控制
• 6.2.1 半主动控制的概念
• 6.2.2 半主动控制机理
• 6.2.3 变刚度控制
• 6.3 短时最大熵谱分析的原理
• 6.4 短时最大熵谱（STMEM）谱阵分析的特点
• 6.5 AVS控制的受控结构的运动方程
• 6.6 频率控制的半主动控制策略
• 6.7 算例及分析
• 6.8 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读博士学位期间发表的论文