索膜结构考虑风与结构耦合作用的抖振响应

考虑风与膜结构的耦合作用,研究索膜结构在顺风向和垂直向风作用下的抖振响应规律及特性.采用时程分析法,在结构的运动微分方程中利用风与结构之间的相对速度来考虑风与膜结构的耦合作用,采用逐步积分法在每一时间步内求解方程,并用该方法得到索膜结构的抖振响应规律以及耦合作用对膜结构抖振的影响规律.研究表明:索膜结构的耦合作用抑制了结构的抖振响应,风与结构耦合作用的大小与结构的振动速度有关.     

索膜结构的非线性风振响应

索膜结构是一种新型大跨度空间结构形式,该类轻柔结构对风的作用十分敏感,风荷载往往是结构设计的控制荷载.文中运用有限元程序对一实际索膜结构进行了自振分析,然后用自编程序进行了结构风振响应的理论分析,分析中考虑了风向、风速、膜预张力等基本参数对结构响应的影响,发现索膜结构的自振频率随膜预张力的增加而明显增大,风速对结构风振响应也有较大影响.     

张拉膜结构风振响应的数值风洞模拟

膜结构作为一种风敏感结构,其风致振动需考虑流固耦合效应.建立膜结构风振响应的数值模拟平台,该平台调用已有的结构计算模块ANSYS以及流场求解模块CFX,并开发了大位移边界下的动态网格更新以及流固耦合边界的自匹配功能,从而实现了膜结构风振响应的数值模拟计算.利用该平台对工程应用较为广泛的典型张拉膜结构进行了初步风致振动响应研究.数值模拟结果显示:张拉膜结构的风振是由结构多个模态的耦合叠加所组成,其风振响应体现了结构较强的几何非线性特征;来流的风速大小、风向角以及张拉膜的预张力、矢跨比等因素都会对结构的风振响应产生一定的影响.     

漏斗形开敞式膜结构的风致振动效应分析

采用谐波叠加法模拟风速时程,将风速时程转换为风荷载时程施于漏斗形膜结构,分析膜结构风振响应,获得结构各区块风致动力放大系数.计算表明：漏斗形敞开式膜结构各节点位移响应较为稳定且具有周期性,速度响应曲线和加速度响应曲线均较稳定;结构表面不同部位的风振响应差别较大,迎风面的风致动力放大系数较高,背风面风致动力放大系数平缓.     

典型组合形体空间膜结构风振响应的数值分析

摘要：
对山脉型空间膜结构进行数值模拟与比较分析,研究膜帽处开敞与封闭情形、不同风速情形下的膜结构风振响应,包括位移响应、速度响应、加速度响应等.研究显示,膜帽开敞、封闭与否对结构最大位移响应影响较小;结构在膜结构顶帽封闭情形下的最大加速度响应明显大于膜结构顶帽开敞情形;位移瞬态放大系数在膜帽开敞情形下大于封闭情形.在一定风速范围内,开敞情形下结构竖向最大位移响应随风速增大而增大,而结构位移的瞬态放大系数随着风速增大变化不明显.文中的研究成果可供膜结构工程抗风设计参考. 关键词：
膜结构; 流固耦合; 风致动力响应; 位移瞬态放大系数 中图分类号： TU 312.1
文献标志码： A     

索膜结构非线性风振响应研究

索膜结构是一种新型大跨度空间结构形式,该类轻柔结构对风的作用十分敏感,风荷载往往是结构设计的控制荷载。本文运用有限元程序对一实际索膜结构进行了自振分析,然后用自编程序进行了结构风振响应的理论分析,分析中考虑了风向、风速、膜预张力和脊索预拉力等基本参数变化对结构响应的影响,得到一些有工程实际意义的计算结果和结论。     

考虑流固耦合效应的鞍形索膜结构体表风压和风致响应

基于Menter SST湍流模式和非线性有限元理论,在任意拉格朗日一欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)描述下,构建了耦合方程迭代求解策略.针对鞍形索膜结构与柔性屋面、刚性屋面等的力学模型不同,在底裙封闭、底裙开敞等不同工况条件下,数值模拟和分析比较了结构体表风压分布和结构风致响应.计算结果表明,鞍形索膜结构为底裙封闭时,刚、柔性屋面工况的膜面风压分布存在明显差异;对于柔性鞍形索膜结构,底裙开敞工况的结构风致响应明显大于底裙封闭工况,相应的膜面风压分布、位移分布和有效应力分布均与底裙封闭工况差异明显.     

表面粗糙度对超高层建筑风荷载与风振响应的影响

为了研究表面粗糙度对高层建筑风荷载与风振响应的影响,选取粗糙条、砂纸两种改变模型表面粗糙度的方法,进行方形建筑刚性模型同步测压风洞试验,获得不同粗糙度工况下模型的表面风压分布特征,在此基础上分析了其气动力系数、气动力功率谱和风振响应.研究表明:高层建筑的表面风荷载与粗糙条的间距、厚度有一定的关系,在突出系数小于0.4%时,影响不明显;砂纸可明显减小中间层迎风面的平均风压、侧风面和背风面的平均风压绝对值,以及脉动风压,但会增大顶部迎风面的平均风压和负压区的平均风压绝对值(影响率均在25%以内);表面粗糙度对顺风向气动力功率谱的影响较小,但会使横风向漩涡脱落的周期略降低(5%以内),涡激力减小.建筑物表面的局部突出在一定范围内可略减小建筑风荷载和风振响应,建筑物表面的粗糙化处理总体上有利于结构抗风.     

基于风洞试验的大跨航站楼屋盖风振响应分析

大跨屋盖结构对风荷载十分敏感,但尚无统一的规范计算方法。因此,对某机场航站楼进行了刚性模型测压风洞试验,得到大跨航站楼屋盖表面的平均、脉动风压系数。对其分布特性进行了研究,并讨论了周边建筑对结构表面风压分布的影响。对屋盖进行了风振响应时程分析,得到了脉动风荷载作用下此类大跨度屋盖在各个风向角的响应规律。结果表明,屋盖各区域的最不利风向角是各自的迎风角度;上游周边建筑对屋盖有遮挡效应,会减小屋盖表面的平均风压;屋盖开洞周边的风振响应较大;为该类结构抗风设计提供了参考。     

大跨度索穹顶结构风振响应的频域分析

建立了考虑和不考虑上覆膜影响的两个有限元分析模型,针对一工程实例,进行了结构的模态分析以及风振响应的频域分析,得到了结构的脉动风振位移响应根方差.结果表明:参振模态的适宜取值随跨度的增大而增大;对于跨度100m以上的类似索穹顶结构,建议所选的参振模态数不小于450;CSM体系索、立杆节点的动位移根方差小于CS体系;CSM体系中膜面的耗能作用不可忽略;在风荷载作用下,CSM体系的脉动风能大部分由膜面耗散;对于跨度较大的索穹顶结构,顶部索膜结构对整体结构的风振响应有明显的影响.     

世博轴索膜结构屋面风效应的监测分析

为深入研究体型复杂的索膜结构屋面在真实环境中的风压分布和风振特性,对世博轴索膜结构屋面开展了为期两年的风效应监测.通过分析2011年7月一次大风过程的监测数据,得到索膜结构屋面所处的风环境和风压分布特性,并将实测结果和风洞试验数据进行比较.分析结果表明:世博轴屋面来流风一侧以负风压为主,另一侧以正风压为主;来流风一侧边缘的脉动风压最大,另一侧的脉动风压较小;平均风压系数和脉动风压系数随屋面高度由高到低逐渐变小;随着风速的增大,平均风压系数基本保持不变;风压系数实测值略小于风洞试验值,两者分布趋势基本一致.     

栏杆高度对流线型箱梁涡振性能影响的试验研究

为研究栏杆高度对流线型箱梁涡激振动性能的影响并揭示其机理，通过节段模型风洞动态测压与测振试验，研究了流线型箱梁涡振响应、平均和脉动风压系数、频域特性以及局部升力对涡振的贡献系数分布情况. 结果表明：安装栏杆后主梁表面的平均风压系数增大，脉动风压系数变化复杂，脉动风压卓越频率与模型自振频率基本一致，局部升力对涡振的贡献作用增大，使主梁涡振加剧；栏杆高度的变化对主梁表面平均风压系数基本没有影响，但对其脉动风压系数的分布规律及脉动压力功率谱幅值有较大影响；栏杆高度的变化，使主梁上表面前部和尾部区域的局部升力对涡振贡献程度呈现出显著差异，当贡献值增大时，主梁涡振响应增大. 当栏杆高度为45%的梁高时流线型箱梁的涡振幅值最大，在此基础上适当降低或增大栏杆高度均有一定的抑振效果，降低栏杆高度效果更好. 研究结果为流线型箱梁栏杆的设计和相关研究提供了依据和参考.     

张拉结构风致振动理论和试验研究

为了研究张拉结构风致振动机理和规律,采用风洞试验、流固耦合数值模拟方法(FSI)和频域方法对单片张拉膜结构、张拉膜结构屋盖和单层平面索网的风致振动响应进行了分析.利用风洞试验,研究了来流湍流度、风速、风向角、膜面张力等不同工况对结构测点位移和根方差的影响.采用数值模拟和频域方法,分析了典型风洞试验工况,并与试验结果进行对比,以验证理论分析方法的可靠性.结果表明:在紊流风作用下,单片索膜做随机受迫振动,振动以背景响应为主,FSI数值模拟、频域法与试验结果较为接近;膜结构屋盖在特征湍流作用下发生颤振,数值方法尚未模拟出这一现象;玻璃面板刚度可以有效降低单层索网风致振动响应.     

体育场馆膜建筑平均风压数值模拟及验证分析

为评估沿海某体育场大跨张拉膜建筑的外形合理性,将参数化建筑设计与开源计算流体力学方法结合,开发了针对稳态大气边界层建筑数值风洞的批量计算模块,能够自动建立考虑周围建筑和地形的计算网格模型,快速评估复杂膜建筑的平均风压分布规律。定量分析了底部看台、周围地形和建筑群对膜表面净风压分布规律的干扰以及不同张拉膜形体参数对建筑风荷载影响。结果表明：膜表面平均风压数值计算结果与风洞试验吻合一致;体育场馆底部观众看台会改变膜表面净风压整体分布规律,明显增加负风压;通过局部调整张拉膜形体参数,可以大幅度减少局部风压最大值和整体风荷载。本研究可为类似膜建筑外形设计提供参考,建议在评估膜外形方案合理性时考虑底部看台和周围建筑影响,采用风洞试验和计算流体力学方法确定风荷载。     

紊流风特性参数对方形结构表面脉动风荷载影响研究

紊流风特性参数如紊流强度与紊流积分尺度的试验模拟精度会影响风洞试验结果,导致不同的风振响应.为得到影响规律,分析了紊流风特性参数对方形结构表面脉动风荷载的影响.为减小干扰因素,利用格栅形成局部紊流场,在此流场中研究紊流强度或紊流积分尺度单参数变化,其它参数不变对结构表面脉动风荷载分布规律的影响.结果表明:方形结构底部区域的概率分布曲线与高斯分布吻合较好,随来流紊流强度增大,分布曲线较高斯分布偏移幅度有增大趋势.紊流强度增大会导致脉动风压系数增大,方形结构迎风面中上部区域对紊流强度非常敏感.紊流积分尺度对脉动风压系数的影响很小,来流积分尺度越大,水平相关性与竖向相关性越好.     

突然开孔对平屋盖结构静动力风荷载的影响

采用刚性模型和气动弹性模型风洞试验,研究迎风面突然开孔对平屋盖结构静动力风荷载的影响.根据试验结果,分析了开孔前后平屋盖结构的平均风压系数、均方根风压系数和风振响应的变化规律,提出了开孔结构平屋盖净风压的计算方法,以及平屋盖风振系数的简化处理方法.研究表明:迎风面突然开孔会大幅增大平屋盖结构的静动力风荷载,在结构设计中必须考虑内外压的联合作用及相应的风致动力效应,但静动力风荷载的比值变化不大,因此仍可沿用封闭结构的风振系数.     

大跨拱形结构等效静力风荷载

基于计算流体动力学(CFD)方法和有限元动力时程分析法,数值模拟脉动风特性,获取脉动风速时程,以此作为数值风洞模拟的入口边界条件.运用FLUENT软件对大跨拱形结构进行脉动风作用下结构的非稳态分析,得到作用于结构的时程风压荷载;运用ANSYS分析软件进行结构的风振响应计算,分析获得了基于结构风振响应时程的等效静力风荷载.提出多目标等效静力风荷载加权组合系数的定义,计算获得了大跨拱形结构的多目标等效静力风荷载,并验证了其计算精度.研究结果表明,在基于该方法所得等效静力风荷载作用下,结构静力响应计算结果与风振动力时程响应极值吻合.     

单向张弦梁结构风振响应参数分析

以张弦梁结构--广州国际会展中心屋架结构为例,利用风荷载模拟时程分析方法对该结构的风振性能进行了系统的参数分析.探讨了屋面恒载、拉索预应力和拉索截面积等因素对结构风振响应规律的影响.     

基于大涡模拟特大型冷却塔风振系数取值研究

为研究200 m级特大型冷却塔风振系数取值问题,以国内在建的某特大型冷却塔(200 m)为例,采用大涡模拟(LES)方法获得该冷却塔表面三维气动力时程,并与国内外大型冷却塔实测结果对比,验证了数值模拟的有效性.在此基础上,结合有限元方法和风振时程分析理论对该冷却塔的动力特性、风振响应与风振系数进行了系统分析,提炼出此类特大型冷却塔二维风振系数的分布规律,最终给出了以正迎风面子午向轴力为目标的整体风振系数取值.所得出的主要研究结论可为此类200 m级超规范特大型冷却塔的风荷载设计取值提供参考.     

大跨度屋盖风荷载的大涡模拟研究

应用一种新的湍流脉动流场产生方法DSRFG(discretizing and synthesizing random flow generation)模拟风场实际的湍流边界条件.采用一种新的大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)的亚格子模型,基于linux系统下软件平台Fluent6.3的并行计算技术,计算了长沙机场扩建航站楼屋盖结构在5个风向下的风荷载.根据对机场屋盖的平均风压和脉动风压系数分布规律的分析,给出了各风向角下屋面的表面风压分布特性和最不利风向角,为长沙机场扩建航站楼的抗风设计提供了依据.并为进一步发展此类复杂建筑结构在复杂湍流环境下的风荷载数值风洞技术提供参考.