鞍形索網(wǎng)的風(fēng)振響應(yīng)特性研究

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振動(dòng)與沖擊

第２７卷第７期

ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩＢＲＡＴ】ＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ

鞍形索網(wǎng)的風(fēng)振響應(yīng)特性研究

陳波 一，武岳 ，沈世釗

（１．北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京１０００４４；２．哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱１５００９０）

摘 要：將風(fēng)振響應(yīng)分為平均響應(yīng)、背景響應(yīng)和共振響應(yīng)三部分，其中背景響應(yīng)采用影響線的方法計(jì)算，共振響應(yīng)

采用Ｒｉｔｚ－ＰＯＤ法計(jì)算。將該方法應(yīng)用于矢跨比為１／１２的鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過同步測(cè)壓試驗(yàn)確定風(fēng)荷載，對(duì)其自振特性、

風(fēng)振響應(yīng)譜特征、振型參與特性、振型間的耦合效應(yīng)、以及各響應(yīng)分量的分布規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：風(fēng)振響應(yīng)明顯

呈現(xiàn)多階振型參與振動(dòng)、且低階振型貢獻(xiàn)較大的特點(diǎn)；振型間的耦合效應(yīng)較明顯；脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)明顯大于平均風(fēng)響應(yīng)，共振

響應(yīng)占主導(dǎo)地位，背景響應(yīng)所占比例較小。

關(guān)鍵詞：鞍形索網(wǎng)；風(fēng)振響應(yīng)；響應(yīng)譜；耦合效應(yīng)

中圖分類號(hào)：ＴＵ３９３．３ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ

預(yù)應(yīng)力鞍形索網(wǎng)，作為一種重要的大跨度空間結(jié) 性結(jié)構(gòu)處理，此時(shí)可以采用頻域方法分析該類結(jié)構(gòu)的

構(gòu)形式，已大量應(yīng)用于體育場(chǎng)館和工業(yè)設(shè)施等大型公

風(fēng)振響應(yīng)。

共建筑¨Ｊ。鞍形索網(wǎng)自身剛度較小，而且隨著結(jié)構(gòu)跨 鞍形索網(wǎng)的風(fēng)振響應(yīng)特性研究主要存在三個(gè)主要

度的不斷增大、屋面輕質(zhì)材料的選用，該類結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷

問題：①屋面的氣動(dòng)分離較為明顯，屋面風(fēng)荷載復(fù)雜，

載的作用變得更為敏感，風(fēng)荷載成為該類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的

風(fēng)洞試驗(yàn)成為確定屋面風(fēng)荷載的主要手段。②風(fēng)振響

一

種控制性荷載，目前缺乏對(duì)該類結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)特性 應(yīng)分析方法，該類結(jié)構(gòu)固有頻率分布密集，風(fēng)振響應(yīng)分

的深入認(rèn)識(shí)，還沒有形成相應(yīng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致該 析往往需要考慮多階振型的影響，風(fēng)振響應(yīng)分析中如

類結(jié)構(gòu)的工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)仍處于無據(jù)可依的局面。因

何選擇這些主要參與振型成為一個(gè)難題。③風(fēng)振響應(yīng)

此，對(duì)大跨度鞍形索網(wǎng)的風(fēng)振響應(yīng)特性進(jìn)行系統(tǒng)的研

特性，如，是否可以忽略脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)，以及是否可以忽

究具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

略結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大作用；脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)中主要參與振型

結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)分析可以采用時(shí)域分析方法和頻

的分布特點(diǎn)，以及振型間耦合效應(yīng)的影響；此外，索的

域分析方法，其中頻域分析方法能夠直接建立風(fēng)振響

內(nèi)力和支座反力等響應(yīng)特性也是值得關(guān)注的重點(diǎn)。深

應(yīng)與風(fēng)荷載基本參數(shù)的直接聯(lián)系，物理含義更為明確， 入了解鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)特性，是指導(dǎo)該類結(jié)

計(jì)算效率更高，但該類方法僅適用于線性結(jié)構(gòu)和弱非

構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。

線性結(jié)構(gòu)。時(shí)域方法主要解決幾何非線性或物理非線 大跨度屋蓋表面受特征湍流影響較大，準(zhǔn)定常假

性結(jié)構(gòu) Ｊ，以及需要考慮氣彈耦合響應(yīng)的結(jié)構(gòu)。對(duì)于

設(shè)確定風(fēng)荷載將帶來一定誤差，因此，一般主要通過風(fēng)

大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)，膜結(jié)構(gòu)、單向懸掛結(jié)構(gòu)以及其它一些

洞試驗(yàn)或者ＣＦＤ（計(jì)算流體力學(xué)）數(shù)值模擬方法確定該

超大跨度結(jié)構(gòu)成為氣彈耦合效應(yīng)研究的熱點(diǎn)和 類結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載，國(guó)內(nèi)外一些大跨度結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了風(fēng)洞

重點(diǎn) ’? 。

試驗(yàn) ，以確定平均風(fēng)荷載和脈動(dòng)風(fēng)荷載。同時(shí)，數(shù)值

鞍形索網(wǎng)屋面本身是負(fù)高斯曲面，索本身被施加

模擬方法由于成本低、能較好解決相似比等優(yōu)勢(shì)，目前

較大預(yù)應(yīng)力，故在一般跨度下，結(jié)構(gòu)剛度較好，風(fēng)致振

也逐漸成為確定風(fēng)荷載的重要手段 ，但仍存在湍流

幅較小，因此在本文的研究過程，暫不考慮氣彈耦合效

模型等問題，目前主要用于確定屋面平均風(fēng)荷載。

應(yīng)。此外，根據(jù)文獻(xiàn)［１，５］表明，由于施加了較大預(yù)應(yīng) 關(guān)于大跨度空問結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)中選擇主要參與振

力，鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)或者平面索網(wǎng)的風(fēng)振響應(yīng)屬于在靜

型這一問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別提出了準(zhǔn)ｘ模態(tài)法 和

力平衡位置附近的限幅隨機(jī)振動(dòng)問題，如果以索網(wǎng)在 模態(tài)補(bǔ)償法 。但這些方法都有其一定的適用范圍，

平均風(fēng)作用下的平衡位置作為風(fēng)振響應(yīng)分析的初始 如文獻(xiàn)［８，９］是根據(jù)各振型對(duì)平均風(fēng)響應(yīng)或者脈動(dòng)風(fēng)

態(tài)，則可認(rèn)為結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)響應(yīng)屬微幅振動(dòng)，可近似按線

靜力響應(yīng)的貢獻(xiàn)大小選擇主導(dǎo)振型，而忽略了結(jié)構(gòu)的

動(dòng)力放大作用也將影響各振型對(duì)風(fēng)振響應(yīng)的實(shí)際貢獻(xiàn)

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（５０３３８０１０）和中國(guó)博士后科學(xué)

這一事實(shí)。文獻(xiàn)［１０］采用平均風(fēng)荷載作為脈動(dòng)風(fēng)的荷

基金（２００７０４１０９０９）

載空間分布形式，采用Ｒｉｔｚ向量直接疊加法分析了圓

收稿［］］朝：２００７—０８～０３修改稿收到日期：２００７—１１—０６

拱屋蓋的風(fēng)振響應(yīng)，取得了滿意的結(jié)果，但是將平均風(fēng)

第一作者陳波男，博士，講師，１９７９年生

荷載作為脈動(dòng)風(fēng)的荷載空間分布形式這一處理方式仍

通訊作者沈世釗男，教授，院士

值得改進(jìn)