振动与冲击第27卷第2期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKVo.l27No.22008某大型博物馆结构风致响应分析基金项目:国家自然科学基金创新研究群体科学基金(50621062)、国家自然科学基金(50608060)及同济大学青年优秀人才培养行动计划联合资助。收稿日期:2007-03-26修改稿收到日期:2007-06-28第一作者周晅毅男,讲师,1975年生周晅毅1,顾明1,李亚明2,周晓峰2,孙五一1,3,黄鹏1(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;2.上海建筑设计研究院有限公司,上海200041;3.中国地质大学工程学院,武汉430074)摘要:基于刚性模型风洞试验,对一个具有索网幕墙的新型杂交结构)))某大型博物馆结构进行风致响应计算。在计算平均风响应时考虑结构几何非线性的影响;分析脉动风响应时将结构近似作为线性结构处理,采用平稳激励下随机振动的模态叠加法(CQC法)进行计算。计算结果表明,当关键点出现极大值响应时,平均风响应对峰值响应的贡献较大,而且动力响应中共振响应一般大于背景响应。此外,对于关键点竖向位移及结构支座竖向反力,主要是壳体悬挑部分的风荷载起作用;而索网面位移主要由索网面上的风荷载控制,悬挑部分的风压对其影响很小。关键词:新型杂交结构;索网;风洞试验;风致响应;阵风响应因子;响应谱中图分类号:Y351.1TU312+.1文献标识码:A大跨度屋盖结构通常质量轻、柔性大、阻尼小,此类结构往往是风敏感结构,风荷载是结构设计的控制荷载。大跨结构的抗风研究一直结构风工程领域的热点问题。Uematsu(1999)在紊流场中同步测量了圆屋顶上的196个测点[1],并对穹顶屋盖进行了风振响应分析。结果表明,参与振动的模态主要是前3~4阶对称模态以及前几阶非对称模态。Massimiliano(2001)根据已有的互功率谱密度矩阵[2],利用线性回归滤波器人工模拟了风压谱,然后采用NewmarkB法对一个悬索结构进行了几何非线性分析。顾明,周晅毅[3~6](2005)提出了大跨度屋盖结构非定常风荷载实验方法及抖振响应的计算分析方法。为了获得屋盖表面风压的时空特性,采用多通道测压系统对结构刚性模型上所有测点的风压进行了同步测量,以此为基础采用CQC法计算屋盖结构的风致响应。沈世钊等[7](2006)对鞍形索网、索桁架等悬索大跨结构的风致响应及等效静力风荷载进行了研究,对起控制作用的结构内力及位移响应风振系数进行了归纳。目前建造了大量具有较强非线性特征的新型索网结构,对于此类结构,在其风致振动机理、等效静力风荷载等方面仍有待开展进一步的探索。本文以一实际工程结构为背景,基于风洞试验的非定常风荷载对一个具有索网幕墙的新型杂交结构进行了风致响应研究,在一定程度上考虑了非线性效应,对结构的风致响应规律进行了较为细致的分析。1工程概况某大型博物馆(以下称/博物馆0)的建筑及结构形式新颖(见图1),由边缘箱梁和三铰拱构成的主结构形成了两个形似风帆的屋面壳体。两张风帆各有三个的端点,每个三角形风帆的底部支点间距约为70m(即南北宽度,见图2),风帆弧形屋面最宽处约40多米(东西宽度),风帆顶部端点最高处距离地面约58m。两个风帆屋面壳体之间由两片单层索网幕墙相连接。图1某大型博物馆图2博物馆方位和风向角定义图3风洞试验刚性模型2风洞试验方法风洞测压试验是在同济大学土木工程防灾国家实验室的TJ-2大气边界层风洞中进行的。测压试验模型为刚体模型(见图3),用有机玻璃板和ABS板制成,模型的几何缩尺比为1/150。试验时通过旋转转盘模拟不同风向。在模型上总共布置了676个测点。根据博物馆周围环境,按照文献[8]的方法模拟为A类地貌风场。平均风速剖面指数为A=0.12,模型顶部紊流度约为12%。风从正北方向吹向博物馆时定义为0b风向角,根据结构的对称性,风向角的范围为0b~170b,试验风向角间隔取为10b。试验风向角和风向角定义见图2。3风致抖振响应计算方法该博物馆是一个具有索网幕墙的新型杂交结构,其主结构体系(由边缘箱梁和三铰拱构成)为单层索网提供足够的边界条件;在强风下尽管索网变形增大,但无拉索松弛现象[9]。文献[10]也指出。在索单元绷紧的情况下,其荷载与位移之间呈弱非线性关系,非线性几何刚度部分可以忽略。因此本文采取如下计算方法:在计算平均风响应时考虑结构几何非线性的影响;分析脉动风响应时将结...
