B-R准则在大跨空间结构风致动力稳定中的应用

大跨空间结构在风荷载下容易出现动力失稳,属于非保守荷载下复杂系统的动力稳定性,目前研究得较少.动力稳定性问题因具体问题而采用不同的研究方法,首要任务是确定合适的动力失稳判别准则.李亚普诺夫运动稳定性理论是研究动力稳定问题的经典理论,但难以直接应用于复杂结构.BUDIANSKY等提出的B-R准则基于动力响应来判定系统的动力稳定性,可以较好地适用于非保守荷载下结构系统的动力稳定性研究.通过理论分析和算例验证,文章阐明B-R准则本质上是李亚普诺夫意义上的动力失稳判别准则.然后通过对一单层柱面网壳干煤棚模型进行风洞试验,获得结构表面的风荷载时程.根据试验结果,对结构系统进行非线性动力分析,进一步验证了B-R准则在大跨空间结构风致动力稳定性研究的适用性.     

抛物线型单层柱面网壳的非线性稳定性

对抛物线型单层柱面网壳的静力稳定性能进行了研究.比较了抛物线型单层柱面网壳与圆柱面单层柱面网壳和倒悬链线单层柱面网壳的静力稳定性能.对抛物线型单层柱面网壳进行参数分析,并对抛物线型单层柱面网壳进行结构优化.研究表明:与圆柱面网壳相比,抛物线型单层柱面网壳的极限荷载有大幅度增大;长跨比、矢跨比对网壳的极限荷载影响显著;初始几何缺陷对网壳的极限荷载有较大影响;网壳的斜杆相交角在50°左右,网壳的静力稳定性能最好;按等比数列布置拱向网格间距,比值α的取值在0.85到0.95之间时,网壳的静力稳定性能最好.     

矢跨比对雪荷载作用下双层柱面网壳静力性能的影响

以方形平面、正放四角锥双层柱面网壳为例,系统考察了不同矢跨比网壳模型的杆件轴力、节点竖向位移、支座侧向反力、支座侧向位移等静力响应,并在此基础上总结出矢跨比对各静力响应的影响规律.分析结果表明,矢跨比较小时,积雪均匀分布情况下雪荷载取值更大,屋面结构的竖向位移较大;矢跨比较大时,积雪不均匀分布情况下雪荷载取值更大,支座水平推力和侧移较大;同时,为双层柱面网壳的选型与设计提供了参考依据.     

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.     

强震作用下双层球面网壳结构非线性动力响应分析

针对大跨网壳结构的动力特性,提出了在强烈地震作用下双层球面网壳结构的非线性分析和结构动力稳定性判别方法.单元模型中考虑几何非线性和材料非线性的双重影响.分析时,以静力荷载作用下的受力状态作为时程分析的初始状态,采用B-R判断准则确定其临界荷载,通过加速度峰值-结构最大位移曲线来判别结构的动力稳定性,据此找出其动力失稳临界点及破坏规律.通过算例验证了本文方法的有效性.分析结果表明,双层球面网壳结构考虑双重非线性是必要的;一致缺陷模态对结构承载力的影响比振型模态缺陷的影响大.     

大跨度屋盖结构等效静力风荷载数值计算方法

基于大跨度屋盖结构等效静力风荷载计算的复杂性,提出了极值效应等效静力风荷载的概念和应用数值优化原理计算大跨度屋盖结构内力等效静力风荷载的方法.以几内亚体育场主看台悬挑屋盖为例,计算得到其位移等效静力风荷载;以巴哈马体育场主看台悬挑屋盖为工程背景,基于两类不同目标函数按最小二乘拟合得到内力等效静力风荷载.并分别给出两组内力等效静力风荷载作用下的杆件极值内力误差分布,分析了基于两类目标函数的拟合方法各自的优缺点.算例与分析表明该方法实用性很强,既方便设计使用,又有相当高的精度,可以满足工程设计的需求.     

大跨空间结构风致动力稳定分析

研究大跨空间结构在随机数值风场作用下的动力稳定性能,并与静力全过程进行对比分析。以空间网架结构为例应用Abaqus对结构进行特征值分析,应用改进的弧长法对结构在非线性和带有初始缺陷的条件下进行全过程稳定分析,初步判定结构的失稳极限荷载,最后通过逐步增量动力分析对每个风荷载强度指标进行结构的弹塑性时程分析,并且利用Budiansky-Roth(B-R)准则判定结构的动力失稳极限荷载。结果表明:考虑非线性后的结构屈曲荷载因子降低了10%,当考虑脉动风的影响时,结构的极限承载力降低了29%。材料非线性和几何非线性对网架结构动力稳定性能有较大的影响,并且此类结构用静力方法分析它的极限承载力是偏不安全的,因此,网架结构在进行风荷载稳定性设计时必须进行动力稳定分析。     

斜拉单层柱面网壳地震响应及失效特征

在双向网格型单层柱面网壳结构面内及面外布置拉索有效地增强了网壳结构刚度,提高了结构的承载能力,前期已针对斜拉单层柱面网壳结构的静力稳定性进行了系统的研究,但有关该结构的地震响应研究还不够充分.本研究基于上述静力稳定性研究成果,通过ANSYS有限元软件对斜拉单层柱面网壳结构进行了动力失效分析,并利用本文提出的应变能响应分析方法考察了网壳结构动力失效时的特征.通过网壳杆件进入塑性比例、杆件进入塑性程度、结构关键节点位移等随加速度幅值的全过程响应分析探讨了结构的破坏形式;并结合动力破坏指标,进一步讨论了不同初始条件下网壳结构的动力失效模式,揭示了结构的动力失效机理.结果表明:拉索的布置形式有效增强了双向网格型单层柱面网壳结构的延性,网壳结构破坏前即使在经历了深刻的塑性发展后仍可保持稳定状态,直至全截面进入塑性杆件数量的突增使结构刚度明显降低,结构发生倒塌破坏.     

单层倒悬链型柱面网壳的非线性稳定性研究

针对拱准线形式为悬链线的单层倒悬链型柱面网壳结构,首先对比分析了其常见的3种网格形式的稳定性能,确定了一种合理的网格布置形式,然后与单层圆柱面网壳的稳定性作了比较,最后进行了大规模的参数分析,较全面系统地研究了单层倒悬链型柱面网壳的静力稳定性,包括长宽比、矢宽比、杆件截面尺寸、初始几何缺陷和荷载不对称分布各参数对结构极限荷载的影响.研究表明:常见网格形式的单层倒悬链型柱面网壳,以斜杆I型的整体稳定性能最好,且相比单层圆柱面网壳,其刚度和极限承载力都得到了较大的提高;长宽比、矢宽比对单层倒悬链型柱面网壳极限承载力影响显著并具有良好的规律性,结构横向加劲肋间距应小于横向宽度;网壳极限承载力与截面等效刚度呈线性关系;初始几何缺陷对结构影响较显著,当缺陷达到波宽的1/300时,网壳极限荷载最大降低达57%;结构对不对称荷载作用不敏感.     

空间结构弹塑性地震反应分析的简化模型与方法

为解决应用模态推覆法计算空间结构弹塑性地震反应时,主振型数量过多、等效单自由度(ESDOF)体系双折线型力-位移关系与实际状况不吻合、结构荷载-节点位移-支座反力对应关系难确定等问题,提出一种简化的静力推覆方法.首先用SRSS方法组合振型节点位移以确定荷载模式,对结构实施静力弹塑性分析;然后采用整体刚度参数及等效质量,建立新的空间结构ESDOF体系;最后用多折线代替双折线表征该体系力-位移关系,基于该体系计算空间结构弹塑性地震反应.对K8单层球面网壳的分析表明:提出的计算模型及方法操作性强、省时;相对于时程分析结果,本方法所求大部分节点位移偏差在35%以内,进入塑性杆件数量偏差仅为7%,分布位置与时程分析结果基本对应.     

大跨双坡屋盖结构等效静风荷载研究与参数分析

等效静风荷载是描述大跨空间结构动力风荷载的有效方式。运用Ansys软件进行结构风致响应时程分析,进而研究大跨双坡屋盖结构等效静风荷载。针对风向角、屋面坡度、结构高度和跨度等参数,系统性开展双坡屋盖结构的等效静风荷载的参数分析,为工程设计提供参考依据。研究表明,在0°风向角下屋盖结构等效静风荷载值最大;随着风向角增大,结构的等效静风荷载减小;随着结构高度和跨度的增加,结构等效静风荷载增大,且其分布发生变化;屋面坡度对于结构等效静风荷载的影响较为复杂,适当增大屋面坡度对结构抗风有利。     

加权约束最小二乘法计算等效静力风荷载

基于平均风压与脉动风压根方差相组合的分布模式,利用加权约束最小二乘优化方法计算等效静力风荷载,在计算时通过约束条件来限制等效荷载的大小,并通过引入权值因子确保等效荷载作用下典型响应的正确性.算例分析结果表明,该方法可用于计算大跨结构的多个目标峰值响应,克服了传统方法仅能等效单个响应的缺陷,对绝对值较大的目标响应等效精度较高,并且典型响应的等效精度要大于一般响应;同时可以有效控制等效荷载的大小,计算得到的等效荷载变化比较均匀,没有出现风压大小及方向剧烈变化的情况.     

本征正交分解法在曲面模型风场重构中的应用

大跨空间结构模型（在风洞试验中）能同步测量的测点常相对有限，需采用有效风场重构技术通过有限点同步测量结果得到全表面风压分布的动态信息．介绍了本征正交分解法在这一问题中的应用，并对基于球面及柱面壳体模型风洞试验得到的风压数据进行了比较验证．结果表明，该方法对曲面模型具有很强的适用性，能够有效地整体把握这类模型表面风压分布规律，可为大跨空间结构抗风时程分析中风荷载分析提供很好的帮助．     

椭圆形高耸结构风荷载特性试验研究

结合武汉天河国际机场三期扩建空管工程塔台刚性模型同步测压风洞试验结果,对椭圆形高耸结构的风荷载特性进行了研究.讨论了典型风向角下不同测点层的平均风压系数和极值风压系数的分布规律;基于测点层的风荷载合力时程,采用快速傅里叶变换的方法,得到了椭圆形高耸结构在90°风向角(最大迎风面)下的三维层风荷载功率谱,并采用经验公式对其进行拟合,拟合效果较好.采用LRC法计算了平均风荷载、背景和共振等效静力风荷载,并将结果与荷载规范建议的惯性风荷载法对比,发现两种方法得到的等效静力风荷载吻合较好.     

大跨度空间钢管桁架结构的风振响应和风振控制研究

为了获得大跨度空间钢管桁架结构在风荷载作用下的实时受力、变形情况和风振系数,本文采用自回归法编制计算程序,数值模拟具有空间相关性的大跨度空间钢管桁架结构的多点风速时程,根据由风速时程转化的作用于结构的风荷载时程对两个大跨度空间钢管桁架结构进行风振响应分析和风振系数的计算.结果表明,编制的计算程序可较好地模拟大跨度空间钢管桁架结构的空间点风速时程,计算所得风速时程的功率谱与目标功率谱吻合较好;采用粘滞阻尼器后结构节点位移及杆件应力振动幅值均有所降低,可有效地减小结构的风振响应;根据风振响应的计算结果给出了可供设计参考的结构风振系数.     

球面网壳结构风振响应时程分析

利用线性自回归滤波器法(AR法),编制了大跨空间结构的风速时程模拟程序,通过算例验证了该方法对大跨空间结构具有的良好适用性.将模拟出的风荷载作用于单层球面网壳,用有限元程序ANSYS进行了网壳结构的风振响应时程分析.通过时程分析结果与频域法的相应计算结果的对比,发现时程分析法与频域法的计算结果基本吻合,时程响应的峰值远大于静风响应,频域法的风振系数略大于时程法的结果.     

Software Practicalization for Analysis of Wind-Induced Vibrations of Large Span Roof Structures

Wind loads are key considerations in the structural design of large-span structures since wind loads can be more important than earthquake loads, especially for large flexible structures. The analysis of wind loads on large span roof structures (LSRS) requires large amounts of calculations. Due to the combined effects of horizontal and vertical winds, the wind-induced vibrations of LSRS are analyzed in this paper with the frequency domain method as the first application of method for the analysis of the wind response of LSRS. A program is developed to analyze the wind-induced vibrations due to a combination of wind vibration modes. The program, which predicts the wind vibration coefficient and the wind pressure acting on the LSRS, interfaces with other finite element software to facilitate analysis of wind loads in the design of LSRS. The effectiveness and accuracy of the frequency domain method have been verified by numerical analyses of practical projects.     

风向对某超高层建筑等效静风荷载的影响

风向和平均风速联合分布是风荷载的基本特征之一,本文研究风向对某超高层建筑等效风荷载的影响,主要包括以下三个部分:(1)获取建筑物所在地区气象站的风向风速气象资料,并统计得到各个风向上的设计风速;(2)对某超高层建筑进行36个风向角下的刚性模型同步测压风洞试验,试验中模拟了周围建筑对超高层建筑的干扰作用;(3)结合各个风向上的设计风速,基于风洞试验结果,用随机风振理论计算超高层建筑的等效风荷载.本文得到的结论为超高层建筑设计提供参考.     

杭州湾跨海大桥风载内力试验及计算方法

介绍了杭州湾跨海大桥全桥气弹模型风洞试验中静风和抖振内力测量方法，探讨了斜拉桥静风内力的计算方法，采用考虑桥塔风效应的抖振时域分析方法计算出大跨斜拉桥的抖振内力，静风响应分析采用风洞实测平均风速剖面指数，抖振响应分析也采用风洞实测的紊流风速谱和空间相关性，并分别与风洞试验结果进行了对比．计算值与试验值吻合较好．分析比较结果表明，斜拉索的风荷载计算模式对静风内力影响较大，考虑桥塔风效应将会显著增加桥塔的横向抖振内力．     

风雪共同作用下门式刚架厂房的动力稳定

结合数值计算和风洞试验,研究门式刚架轻型钢结构厂房在风雪耦合作用下的动力稳定性.通过CFD(计算流体动力学)方法,模拟厂房屋面上的风雪耦合作用,由风洞试验获得厂房表面的非定常气动力,然后将门式刚架厂房作为空间刚架体系,利用Budiansky-Roth准则研究其动力稳定.研究表明,数值模拟得到的积雪漂移现象与屋面上气流的运动规律基本一致,不均匀积雪使门式刚架厂房在风场中的动力稳定性显著降低.