劲性支撑穹顶结构的风振响应分析

论文摘要

薛素铎教授提出了劲性支撑穹顶结构并已申请为专利,它是将索穹顶的下层索系(包括环索和斜索)用刚性拉杆代替而形成的新型空间结构。劲性支撑穹顶结构可以克服索穹顶施工张拉不易控制的局限性,同时还不会存在弦支穹顶的上层网壳容易失稳的问题,与这两者相比有着更多的优良性能,作为屋盖结构,有着更为广阔的发展前景。劲性支撑穹顶结构因其自重轻、柔度大、阻尼小、自振频率较低且密集分布等特点,导致其对风荷载特别敏感,另外,工程中由于风荷载引起大跨结构破坏的实例较多,所以此类结构设计的主要的荷载形式为风荷载。对结构进行风振响应分析,具有重要的理论意义和工程实用价值。首先,本文全面系统的总结了劲性支撑穹顶结构风振响应分析中所涉及到的理论要点和难点问题,为本文工作奠定了扎实的理论基础。其次,基于自回归(AR)法基本原理,利用MATLAB语言编写了模拟水平和竖向脉动风速的程序,编程时考虑了时间相关性和空间相关性。利用上述程序对算例进行了模拟,结果显示人工模拟的风速时程的功率谱密度函数与目标谱的吻合程度较好,因此验证了程序的正确性和可靠性。然后,根据结构风振响应计算的需要,将模拟的风速时程转换为节点力时程,在ANSYS有限元分析软件中,将节点力时程施加于结构的节点上,进行动力非线性时程分析。总结了在总风荷载作用下劲性支撑穹顶结构和索穹顶结构风振响应的异同点,并且分析了结构分别在平均风和脉动风作用下响应均值和均方差的变化规律,接着对响应结果进行数理统计分析,得到结构的位移和内力风振系数的分布情况。最后,对劲性支撑穹顶结构进行风振特性参数影响分析,得出劲性支撑穹顶结构在地貌类型、预应力、跨度和矢跨比改变时位移风振系数的变化规律。然后只在跨度和矢跨比改变的前提下,利用回归分析的方法,拟合出劲性支撑穹顶结构在C类和D类地貌下平均位移风振系数的表达公式,为该类结构的抗风设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 劲性支撑穹顶结构简介
• 1.2.1 钢拉杆简介
• 1.2.2 劲性支撑穹顶结构的基本构成
• 1.2.3 劲性支撑穹顶结构的分类
• 1.3 大跨空间结构风振响应研究现状
• 1.3.1 大跨空间结构的风振特点
• 1.3.2 大跨空间结构的风振响应研究现状
• 1.4 风荷载数值模拟研究现状
• 1.5 本文研究方法及主要工作
• 第2章 风的特性及风对结构的作用
• 2.1 引言
• 2.2 自然风的基本特性
• 2.2.1 平均风的基本特性
• 2.2.2 脉动风的基本特性
• 2.3 风对结构的作用
• 2.3.1 风速与风压的转换关系
• 2.3.2 风载体型系数
• 2.3.3 风振系数
• 2.4 本章小结
• 第3章 风荷载数值模拟及结构的自振特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 风荷载数值模拟方法—线性滤波法
• 3.3 MATLAB程序编制及算例分析
• 3.3.1 算例一：空间两点风速时程曲线的模拟
• 3.3.2 算例二：劲性支撑穹顶结构上层节点风速时程曲线的模拟
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 劲性支撑穹顶结构模型的建立
• 3.5 劲性支撑穹顶结构自振特性分析
• 3.5.1 自振特性分析基本理论
• 3.5.2 劲性支撑穹顶结构自振频率及振型分析
• 3.5.3 劲性支撑穹顶结构自振特性的参数分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 结构风振响应的时域分析
• 4.1 引言
• 4.2 结构风振响应分析准备工作
• 4.2.1 风振响应分析基本理论
• 4.2.2 风振响应分析计算流程
• 4.2.3 风荷载数值模拟
• 4.3 劲性支撑穹顶结构风振响应的时域分析
• 4.4 劲性支撑穹顶位移风振系数和内力风振系数研究
• 4.4.1 结构在平均风作用下的响应
• 4.4.2 结构在脉动风作用下的响应
• 4.4.3 响应的统计分析—位移风振系数和内力风振系数
• 4.5 本章小结
• 第5章 劲性支撑穹顶结构位移风振系数的参数分析
• 5.1 引言
• 5.2 地貌类型对位移风振系数的影响分析
• 5.2.1 地貌类型对位移均值的影响
• 5.2.2 地貌类型对位移均方差和位移风振系数的影响
• 5.3 初始预应力对位移风振系数的影响分析
• 5.3.1 初始预应力对位移均值的影响
• 5.3.2 初始预应力对位移均方差和位移风振系数的影响
• 5.4 跨度及矢跨比对位移风振系数的影响分析
• 5.4.1 计算模型的选取
• 5.4.2 跨度和矢跨比对模型位移风振系数影响分析
• 5.4.3 平均位移风振系数拟合
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢