（固体力学专业论文）大跨空间网格结构的风振理论及空气动力失稳研究.pdf

大跨空f b - 网格结构的风振理论及空气动力失稳研究 摘要 为了满足现代建筑美学和使用功能的要求，大跨度屋盖结构日益增多，大跨空 间结构已经成为衡量一个国家建筑科学技术水平的重要标志，随着建筑物的跨度增 加，屋面势必要向着轻型材料发展，导致了此类建筑物对风荷载非常敏感，于是风 荷载，尤其是脉动风荷载便成为设计中的重要荷载。 基于大跨空间网格结构本身结构特性和动力特性，现有的风振分析计算理论， 无论是时域法还是频域法，其分析理论和计算方法都不适合对大跨空间网格结构进 行风振响应分析。我国至今没有相应的规范对大跨空间网格结构的风振响应分析作 指导，我国现有的荷载规范中对此类结构的风荷载设计没有明确的规定，现有的设 计几乎都是沿用高层或高耸结构设计规范或是任意取一个很保守的值来定义风振系 数。因此，对此结构提出一种实用而且科学的风振响应分析方法也就成了亟待解决 i的课题。 l、 飞、空间结构形式的多种多样，近年来张拉柔性结构也被广泛应用，柔性张拉结构 。 的胗状确定问题是其设计中的一个关键问题。与空间桁架结构比较，柔性索膜结构 的风振具有不同特点，在风作用下膜结构可能会导致气动力失稳现象，因此推导适 用于大跨空间结构的空气动力失稳临界风速的判别式也成了一个重要课题。 本文第二章对风的特性和风振响应分析方法进行系统研究，对传统的时域法、 频域法以及随机振动离散法进行了比较详细的阐述，并指出传统的时域法、频域法 以及随机振动离散法进行大跨空间网格结构风振响应分析的不足和存在的问题。 第三章基于适用于大跨空间结构的风振计算理论为目的，提出了模态能量补偿 的频域法。根据模态对系统应变能的贡献，提出了一种有效的选取主要贡献模态的 方法。众所周知，大跨空间结构是频率密集性结构，脉动风作用下的响应必须考虑 多阶模态，为了克服包含所有主要贡献模态的困难，本章提出了一种简单的方法来 补偿由于高阶模态遗漏而产生的误差，并通过多个算例对所提出方法的有效性进行 了验证。 第四章根据模态能量补偿的频域法理论，提出了空间网壳结构按频域法计算的 实用简便且具有较高精度的风振系数计算分析方法，填补了新的网壳结构技术规 程中风振系数计算的空白。算例分析说明风振系数理论的应用非常简单，且精度 。满足工程要求。 第五章介绍了动力松弛法的基本理论，推导了动力松弛法的计算公式，并采用 动力松弛法对索膜结构的形状确定问题进行了分析。算例分析表明，动力松弛法可 有效地寻找和确定给定边界的初状态曲面几何及相应的预应力分布。动力松弛法计 算简明，具有较好的收敛性；不需人工干预，所有计算可自动进行。 第六章根据大跨索膜结构的特点，推导了考虑风速来流攻角以及侧向风振气动 力的驰振临界风速的判别式，并提出l f 盎界判别式中的阻力系数与升力系数可用体型 系数来表示，特别适用于无法取节段模型的大型空间网格结构。 第七章对本文的研究工作进行了总结，指出本文研究的主要结论及大跨空间结 构的后续研究方向。 综上，本文提出了适用于大跨空间网格结构的风振分析理论及简化的风振系数 计算方法，推导了适用于大跨空间网格结构的驰振临界风速判别式。科学的风振设 计计算理论应用于这些新型结构的设计，可正确地分析计算结构的可靠度，也避免 了材料的浪费。因此，本课题为空间结构的风振响应分析提供了实用可靠的计算方 法，有助于新型的大跨空间结构在我国被广泛应用。 f 关键词：大跨空间结构，风振响应，频域法，风振系数，模态补偿，气动失稳 形状确定，驰振临界风速 i i r e s e a r c ho nw i n d i n d u c e dr e s p o n s ea n da e r o d y n a m i ei n s t a b i l i t y o f l a r g e - s p a ns p a c e s t r u c t u r e s a b s t r a c t i nr e s p o n s et ot h ed e m a n df o ra r c h i t e c t u r ea n du s ef u n c t i o n ，c o n s t r u c t i o no f l a r g e s p a n r o o f si s i n c r e a s i n g ，t h el a r g e s p a n r o o fh a sb e c o m ea n i m p o r t a n ts i g n t o j u d g e t h e c o n s t r u c t i o ni e v e lo f a c o u n w y e n l a r g e m e n t o f t h es p a no f t h e s es t r u c t u r e si n e v i t a b l yt e n d s t oi n v o l v el i g h t w e i g h tt o o f s w h i c hl c a d st h e s es t r u c t u r e ss e n s i t i v et ow i n dl o a d s t h e r e f o r e t h ee f f e c t so fw i n dl o a d s e s p e c i a l l yo fd y n a m i cw i n dl o a d sa r eb e c o m i n gs i g n i f i c a n ta t t h e i rd e s i g n s t a g e o w i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g e s p a n s p a c es t r u c t u r e s ，t 1 1 et r a d i t i o n a lw i n d v i b r a t i o nt h e o r ya n dc a l c u l a t i o nm e t h o d s ，s u c ha st i m ed o m a i nm e t h o da n df r e q u e n c y d o m a i nm e t h o d a r en ol o n g e rf i tf o rl a r g e s p a ns p a c es t r u c t u r e s n l e 、i n dl o a dd e s i g nf o r l a r g e s p a ns p a c es t r u c t u r e sh a s n tb e e ns t i p u l a t e di ne x i s t i n gc h i n e s el o a dc o d e ，t h ed e s i g n o ft h e s es t r u c t u r e sf o l i o w st h eh i g h r i s es t r u c t u r ec o d e w i n dv i b r a t i o nc o e m c i e n t so ft h e s e s t r u c t u r e sa r es e l e c t e da c c o r d i n gt oe x p e r i e n c e s o ，i ti si nu r g e n tn e e d o f p r o p o s i n ga k i n d o fw i n d r e s p o n s ea n a l y s i sm e t h o d s u i t a b l ef o rl a r g e - s p a ns p a c es t r u c t u r e s n l et y p e so fs p a c es t r u c t u r e sa r em a n i f o l e t h et e n s i l es t r u c t u r e sa r ew i d e l yu s e di n r e c e n ty e a r s t h ef o r m f i n d i n go ff l e x i b l et e n s i l es t r u c t u r ei sak e y p o i n td u r i n gt h ec o u r s eo f d e s i g n i na d d i t i o n ，t h ef l e x i b l ec a b l e - m e m b r a n es t r u c t u r eh a sd i f f e r e n tw i n dv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r i n g 、析ms p a c et l u s s i tm a y a p p e a r sa e r o d y n a m i ci n s t a b i l i t yu n d e r w i n df i e l d t h e r e f o r ei ti si m p o r t a n tt od e r i v eac r i t i c a lw i n ds p e e dd i s e r i m i n e n tt oj u d g e a e r o d y n a m i ci n s t a b i l i t yo f l a r g e s p a ns p a c es t r u c t u r e u n d e rw i n dl o a d s i nc h a p t e rt w o ，t h ep a p e ro u t l i n e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i n da n dt r a d i d o n a lw i n d r e s p o n s ea n a l y s i sm e t h o d t i m ed o m a i nm e t h o d ，f r e q u e n c yd o m a i nm e t h o da n dr a n d o m v i b r a t i o nd i s c r e t em e t h o d ，a n dp o i n t e dt h ed e f e c t so ft h e s et r a d i t i o n a lm e t h o d su s e df o r a n a l y z i n g w i n d r e s p o n s e so f l a r g es p a l ls t r u c t u r e s - i n c h a p t e rt h r e e ，t h ep a p e rp r o p o s e d a f r e q u e n c y d o m a i nm e t h o dw i t hm o d e c o m p e n s a t i o ns u i t a b l ef o rl a r g e s p a ns p a c es t r u c t u r e s f r o ma v i e w p o i n t o f c o n t r i b u t i o nt o t h es t r a i ne n e r g yo ft h es y s t e m i ti sp r o p o s e dt om a k ea l l e m c i e n ts e l e c t i o no f d o m i n a n t m o d e s i ti sk n o w nt h a tt h el a r g e s p a ns p a c es t r u c t u r e s a r e a p tt o h a v em a n yn a t u r a l f r e q u e n c i e si nan a r r o wf r e q u e n c yr a n g e ，t h i sd e m a n d t h a tm a n yv i b r a t i o nm o d e sb et a k e n i n t oc o n s i d e r a t i o nt os i m u l a t ed y n a m i cw i n dr e s p o n s e i no r d e r t oo v e r c o m et h ea n t i c i p a t e d d i m c u l t yo fc o n t a i n i n ga l ld o m i n a n tc o n t r i b u t i o nm o d e s ，t h ep a p e rp r e s e n tas i m p l ea n d e f f e c t i v em e t h o dt oc o m p e n s a t i o nt h ee r r o r so w i n g t ol e a v i n go u ts o m eh i g ho r d e rm o d e s t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o di sv e r i f i e dt h r o u g hs e v e r a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n o f t h ew i n dr e s p o n s eo f as p h e r i c a ld o m e 1 1 1 i nc h a p t e rf o u r , b a s e do nt h em o d ec o m p e n s a t i o nt h e o r yi nf r e q u e n c yd o m a i n ，t h e p a p e rp r o p o s e dw i n dv i b r a t i o n c o e f f i c i e n tt h e o r yf o rl a r g e 。s p a ns p a c es t r u c t u r e ，w h i c h s o l v et h ew i n dv i b r a t i o nc o e f f i c i e n tf i tf o re n g i n e e r i n gd e s i g ni nn e w d o m es t r u c t u r e t e c h n o l o g yr e g u l a t i o n ”e x a m p l ea n a l y s i ss h o w e d t h a tt h ew i n dv i b r a t i o nc o e f f i c i e n tt h e o r y i sa v e r ys i m p l e ，a n d t h ea c c u r a c yo f t h i sm e t h o ds a t i s f i e dt h ed e m a n d o f e n g i n e e r i n g i nc h a p t e rf i v e ，d y n a m i cr e l a x a t i o nm e t h o dw a si l l u s t r a t e d ，i t e r a t i v ee q u a t i o n so ft h e m e t h o da r ed e r i v e d t h e f o r m f i n d i n ga n a l y s i s o fs e v e r a lc a b l e - m e m b r a n es t r u c t u r e e x a m p l e si sc a r r i e do u ta d o p t i n gd y n a m i cr e l a x a t i o nm e t h o d n l ee x a m p l ea n a l y s i ss h o w e d t h a tt h e d y n a m i c r e l a x a t i o nm e t h o dc o u l df i n d t h ei n i t i a ls u r f a c e g e o m e t r y a n d c o r r e s p o n d i n gp r e s t r e s sd i s t r i b u t i o no f c a b l e - m e m b r a n es t r u c t u r e se f f e c t i v e l y t h ed y n a m i c r e l a x a t i o nm e t h o di ss i m p l ea n dh a sg o o dc o n v e r g e n c e ，a n da l lc o m p u t a t i o no ft h em e t h o d c a nc a r r ya u t o m a t i c a l l ya n dn e e d n tm a n u a li n t e r v e n t i o n i nc h a p t e rs i x ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f l a r g e s p a ns p a c es t r u c t u r e s ，t h ep a p e r d e r i v e dt h eg a l l o p i n gc r i t i c a lw i n ds p e e dd i s c r i m i n e n tt a k i n ga c c o u n t i n go fi n i t i a la t t a c k a n g l ea n dl a t e r a la e r o d y n a r n i cf o r c e t h ed i s c r i m i n e n ti se x p r e s s e dw i t hs h a p ec o e m c i e n t r a t h e rt h a nl i f ta n dd r a gc o e f f i c i e n t ，s oi ti se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rl a r g e - s p a ns p a t i a ll a t t i c e s t r u c t u r et h a tc a n tb es e l e c t e ds e g m e n tm o d e l i nc h a p t e rs e v e n t h er e s e a r c hw o r ki ss u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hi sp r e s e n t i ng e n e r a l ，t h ep a p e r p r o p o s e d t h ew i n dv i b r a t i o n t h e o r ya n ds i m p l i f i e dw i n d v i b r a t i o n c o e f f i c i e n ts u i t a b l ef o rd e s i g no f l a r g e - s p a ns p a c es t r u c t u r e s ，a n dd e r i v e dg a l l o p i n gc r i t i c a l w i n d s p e e df o rl a r g e s p a ns p a c es t r u c t u r e s s c i e n t i f i cw i n dv i b r a t i o nt h e o r i e sa r ea p p l i e di n s p a c es t r u c t u r e s ，t h er e l i a b l i t yo f s t r u c t u r e sw o u l di n c r e a s ea n da v o i dw a s t i n gm a t e r i a l s s o ， t h er e s e a r c hr e s u l t sw i i lb eh e l pf o rt h ea d v a n c i n g o f t h e o r yi nt h ef i e l do f s p a c es t r u c t u r e s a n df o rp o p u l a r i z a t i o no f t h e i r a p p l i c a t i o ni no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：l a r g e s p a ns p a c es t r u c t u r e ，、i n d - i n d u c e dr e s p o n s e ，w i n dv i b r a t i o nc o e f f i c i e n t ， m o d e c o m p e n s a t i o n ，a e r o d y n a m i ci n s t a b i l i t y , f o r m f i n d i n g ，g a l l o p i n gc r i t i c a lw i n ds p e e d 笙二皇笪堡 圭查銮燮堡主亘旦篁三笪堕 第一章绪论 第一节研究背景 为了满足现代建筑美学和使用功能的要求，大跨度屋盖结构日益增多，大跨空间 结构是衡量一个国家建筑科学技术水平的重要标志，各国都十分重视大跨空间结构 技术的研究。 纵所周知，我国也出现像浦东国际机场航站楼、国家大剧院等一批新型的大跨空 间网格结构，但这些结构大部分都是由国外设计的。另外，我国现在许多实际工程 的风振设计都带有很大的经验性，这样的设计既不科学，又不安全。随着我国国民 经济的发展，与世界各国的交流增多，尤其是中国已经取得了2 0 0 8 年奥运会的申办 权，今后必将需要建造更多的体育、会议及展览场馆。而大跨空间网格结构是满足 这些功能的最佳结构物，同时它又具有外观造型优美的特点，因此对大跨空间网格 结构的研究势必成为我国今后工程界的一个热门课题。 随着建筑物的跨度增加，屋面材料也向着轻型材料发展，并且重量更轻、外形变 化更多，导致了此类建筑物对风荷载很敏感，于是风荷载往往成为设计中的控制因 素，并且至今一些大型空间结构的破坏都是在地震、风暴等动力荷载下出现的。风 荷载已成为大跨空间结构的重要设计荷载，在有些地区甚至是起控制因素的荷载。 基于大跨空间网格结构本身结构特性和动力特性，现有的风振计算理论，无论是 时域法还是频域法，其计算理论和计算方法都不适合对大跨空间网格结构进行风振 响应分析。对于频谱密集性的稠壳结构，采用振型分解法对其进行随机风振响应分 析时，必须考虑多阶振型参与组合，各振型之间的耦合项不能忽略，按照现在通常 的方法，如果只考虑前几阶或者十几阶振型来进行大跨空间网格结构的风振响应分 析，往往很难得到准确的结果，这就需要考虑多阶振型的影响“。 。但对于大型的空 间网格结构，究竟该考虑多少阶振型，就很难有一个系统且准确的选取方法。采用 常规的频域分析方法，往往取前1 0 、2 0 阶振型，甚至是前3 0 4 0 阶振型，但不能说 明这就包含了所有的主要贡献模态。因为对于大型大跨空间网格结构来说，有时高 阶频率的振型模态对其风振响应的贡献也占有很主要的地位。而风模拟时程响应法 需要大量的空间风场模拟计算和非线性迭代计算，不可避免存在计算量大和误差累 计的特点，而采用风模拟时程响应法对其进行统计分析时，样本数量和模拟时段的 选取又是一个需要解决的问题。这种方法在实际工程设计中并不实用，一般用来检 验设计结果【4 5 】。 我国至今没有相应的规范对大跨空间网格结构的风振响应分析作指导，我国现有 墨二童堑堡圭塑奎望查兰竖主墨堕壅三竖i ! 童一 的荷载规范嘲中对此类结构的风荷载设计没有明确的规定，现有的设计几乎都是沿用 高层或高耸结构设计规范或是任意取一个很保守的值来定义风振系数。这样进行大 跨空间网格结构的风振响应分析显然是不合理的。因此，对此结构提出一种实用而 且科学的风振响应分析方法也就成了亟待解决的课题。在董石磷院士主编的网壳 结构技术规程( 送审稿) 中就着重提出了这问题。本文在此背景下，进行空间 网壳结构的风振响应分析。 因此适用于大跨空间网格结构的风振计算理论的提出，以及相应规范的实旅，为 空间结构的风振响应分析提供实用可靠的计算方法，也为我国的设计工程师能自主 设计这些新型结构提供了相关的依据。因此，科学的风振设计理论应用于这些新型 结构的设计，可正确分析结构物的可靠度，也避免了材料的大量浪费。因此适用于 大跨空间网格结构的风振计算理论的提出，为今后我国更多结构新颖、建筑美观建 筑物的出现奠定了基础，也为我国能自主设计这些新型结构提供了理论依据。只有 提出了更为完善的理论，人民的生命和财产才能得到保障，另外，也避免了过于保 守的设计，而浪费了大量的材料，因此有着广泛的社会意义和经济效益。 空间结构形式的多样性，张拉柔性结构也被广泛应用，而柔性的张拉结构在没有 施加预应力之前没有刚度，其形状是不确定的，必须通过施加适当的预应力赋予其 一定的形状，才能成为承受外荷载的结构。因此柔性张拉结构的形状确定问题是其 设计中的一个关键问题。另外，与空间桁架结构比较，柔性索膜结构的风振具有不 同特点，在风作用下膜单元对周围流场产生影响，导致较明显的气弹反应和动力失 稳现象，因而研究这类结构在风荷载作用下的响应及空气动力稳定性十分重要。传 统的d e n h a r t o g 判别式和桥梁气弹动力稳定分析方法都采取节段模型，但不适用于 大型空间网格结构。因此需要根据大跨空间网格结构的特点，推导适用于大跨空间 结构的空气动力失稳临界风速的判别式。 第二节国内外研究现状 针对现有风振计算理论对大跨空间网格结构不再适用的现状，国内哈尔滨工业大 学的沈士钊教授等学者把随机振动离散分析方法应用于悬索结构体系的风振响应分 析 1 ，并在大量数据的基础上统计风振响应与荷载之间的关系，从而拟合了悬索结 构体系响应的风振系数【”，实际上也是传统阵风系数法的应用。但由于与风振响应相 关的参数很多，拟合后风振系数的表达式比较复杂，并且这种方法计算量太大。同 济大学的王肇民教授也用类似的方法吲，进行了桅杆结构的风效应系数研究。这些研 究都是针对单一的结构形式，对于单元数目庞大和型式丰富多样的空间网格结构( 球 壳、简壳、马鞍型甚至椭球壳等等) 不可能一拟合出风振系数，况且此种方法巨 第一章绪论 上海交通大学博士后研究工作报告 大的计算量现有的微机仍难以处理。欧美国家早在8 0 年代，就指出了阵风系数法不 能正确反映桅杆结构及大跨空间结构等频率密集性结构的风振响应，加拿大学者 d a v e n p o r t 等针对桅杆结构提出了基于风波动模型的分布风段法【1 “，并考虑桅杆风振 和最不利风荷载情况，这一方法已被9 5 年新版的欧洲规范e c 3 、b s 8 1 0 0 及加拿大 规范$ 3 7 等采用。 与桅杆结构一样，现在普遍采用的阵风系数法也不再适用大跨空间网格结构，随 着现在大跨建筑物的跨度越来越大，对风的敏感性也越来越大，因此在这方面的研 究也在增多。国外的一些学者也在进行大跨空间结构的一些风振特性研究和风振分 析理论方面的改进工作，如日本的n a k a y a m a 教授“。国外也还没有针对大跨空间结 构提出一套系统的风振设计理论和设计规范。但国外在风洞试验，尤其是风振响应 实测方面的工作比国内多，由于风洞试验存在着弹性模型试验和风场模拟方面的局 限和误差，因此实测的结果比风洞试验的结果更可靠，国外已有学者对实际结构物 的风振响应进行实测，如德国的u p e i l 教授“2 。1 。 现有的驰振研究主要针对高耸、高层、裹冰的输电线以及桥梁结构 1 4 - 1 7 ，对大跨 索膜屋盖结构的驰振研究，国内外都才刚刚开始起步。m i y a k e i 砌在对悬索屋模型的 实验中，发现结构发生了气动失稳，y n a k a m u r a 1 9 3 研究了具有不同高宽比的矩形结 构在层流和湍流中的驰振现象，s k a w a k i t a 2 0 1 在对悬索屋盖的试验中，也观测到了 涡振和驰振现象。国内的张相庭教授在最近的会议上也发表了一篇大跨索膜屋盖结 构空气动力失稳分析的文章 2 “，文献 2 1 所列的判别式没有考虑初始攻角，也没有 考虑侧向风振参数，与传统的d e n h a r t o g 判别式相似，只是把临界判别式里的阻力 系数与升力系数改用体型系数来表示。整个表达式与结构的体型系数无关，只与体 ，型系数的变化率有关。 第三节本文主要研究工作 本文共分七章 第一章，研究背景、国内外研究现状。 第二章，对风振响应分析方法进行系统研究，对传统的时域法、频域法以及随机 振动离散法进行了比较详细的概述和算例分析，考虑大跨空间网格结构的非线性特 点，把非线性时程分析法和随机振动离散法应用于大跨网格结构，同时得出了大跨 网格结构的非线性对其风振响应的影响。 第三章，在常规频域法的基础上，在频域内使用分布风段方法，利用模态对系统 能量的贡献确定一种高效、准确的风振计算方法，提出适用于大跨空间网格结构的 风振计算理论。在频域内采用分布分段法理论，并针对大跨空间网格结构对此理论 第一章绪论 上海交通大学博士后研究工作报告 加以创新和改进，根据结构的模态对系统应变能的贡献，确定主要贡献模态的判别 准则：根据能量守恒原理，对截断模态之外的模态所贡献的能量进行补偿；建立一 套适用于空间网格结构的风振分析理论。 第四章，依据第三章提出的风振理论，以简化实用计算方法，提出简练和明确的 风振系数为目标，在此基础上提出科学的风振系数和实用计算方法，就需要提出科 学、实用的计算方法服务于规范，本课题的研究将解决网壳结构技术规程( 送 审稿) 中现在仍然悬而未决的问题。为工程设计提供依据，并对多个实际工程进行 了算例分析。根据推导的风振分析理论和实用公式，编制空间结构风振响应分析子 程序，加入到已有的空间结构设计程序s s c a d 中。 第五章，空间结构形式多种样，索膜结构是如今大跨空间结构中最被青睐的形式。 而索膜结构的形状确定问题是其设计中的一个关键问题。本文采用动力松弛法对索 膜结构的形状确定问题进行分析。 第六章，与空间桁架结构比较，索膜结构的风振具有不同特点。在风作用下膜单 元对周围流场产生影响，导致较明显的气弹反应和动力失稳现象。传统的d e n h a r t o g 判别式节段模型不适用于大型空间网格结构。本文根据大跨空间网格结构的特点， 推导了考虑风速来流攻角以及侧向风振气动力的驰振临界风速的判别式，并且临界 判别式里的阻力系数与升力系数用体型系数来表示，适用于无法取节段模型的大型 空间网格结构。 第七章，主要结论与展望。 本章参考文献 【1 】沈世钊，徐崇宝，赵臣悬索结构设计一b 京：中国建筑工业出版社 【2 】杨庆山，沈世钊，何成杰悬索结构风振系数计算哈尔滨建筑大学学 报19 9 5 2 8 ( 6 ) ：3 3 3 9 3 胡继军网壳风振及控制研究上海交通大学博士学位论文，2 0 0 1 4 】向阳，沈世钊，李君薄膜结构的风振响应分析建筑结构学报1 9 9 9 ，2 0 ( 6 ) ：3 8 - - 4 6 5 】马星桅杆结构风振理论及风效应系数研究同济大学博士学位论文，2 0 0 1 6 g b j 9 8 7 ，建筑结构荷载规范，北京：中国计划出版社，1 9 8 9 【7 谭东耀，杨庆山有色噪声激励下结构随机振动离散分析方法哈尔滨建筑工程学院 学报，1 9 8 9 ，2 2 ( 1 ) ：2 3 3 5 8 】谭东耀等空间相关过滤白色噪声激励下结构的随机振动离散分析方法计算结构 力学极其应用，1 9 9 3 ，1 0 ( 2 ) ：1 5 7 1 6 5 9 】杨庆山，沈世钊悬索结构随机风振反应分析建筑结构学报，1 9 9 8 ( 1 9 ) ，n o 4 ，p p ：2 9 3 9 10 】s p a r l i n gb f s m i n lb w ，d a v e n p o r ta g s i m p l i f i e dd y n a m i ca n a l y s i sm e t h o d sf o r g u y e dm a s t si nt u r b u l e n tv i i n d s j o u r n a lo f t h ei n t e m a t i o n a la s s o c i a t i o nf o rs h e l la n d 4 塑二童堕堡 占童銮耍盔堂竖主星堕圣三堡堡生 r s p a t i a ls t r u c t u r e s ( i a s s ) ，1 9 9 6 ，3 7 ：8 9 1 0 6 i 1 i l k m a s u d a ，m n a k a y a m a ，y f u k a o e ta la ne f f i c i e n te v a l u a t i o no fw i n dr e s p o n s eo f d o m er o o f t h r o u g h m o d a l a n a l y s i s m e t h o d p r o c o f i a s s ， m i l a n o ，i t a l y ，1 9 9 5 ，p p ：1 0 7 5 - 1 0 8 4 12 j p e i lu ，n o e l l eh g u y e dm a s tu n d e rw i n dl o a d j o u m o fw i n de n g r g a n di n d u s t r a e r o d y n ，1 9 9 2 ，4 4 ：2 1 2 9 2 1 4 0 1 3 p e i lu ，n o e u eh w a n gz h d y n a m i cb e h a v i o u ro f g u y s o nt h et u r b u l e n tw i n dl o a d j o u r n a lo ft h ei n t e m a t i o n a la s s o c i a t i o nf o rs h e l la n d s p a t i a ls t r u c t u r e s ( i a s s ) ， 19 9 6 ，v 0 1 3 7 ：7 7 8 8 【1 4 蒋洪平，张相庭高耸结构横风向风振研究同济大学学报，1 9 9 2 ，2 0 ( 2 ) ：1 2 9 1 3 7 15 】f r a n kh d u r g i n ，d a v i da p a l m e ra n dr o b e r tww h i t e t h eg a l l o p i n gi n s t a b i l i t yo fi c e c o a t e dp o l e s j w i n d e n g i n d a e r o d y n ，1 9 9 2 ，4 1 4 4 ：7 6 5 - 6 8 6 16 y m d e s a i ，p y u ，n p o p p l e w e l le ta 1 f i n i t ee l e m e n tm o d e l l i n go ft r a n s m i s s i o nl i n e g a l l o p i n g c o m p u t e r & s t r u c t u r e s ，l9 9 5 ，5 7 ( 3 ) ：4 0 7 - - 4 2 0 【1 7 】y j g e ，h t a n a k a a e r o d y n a m i cf l u t t e ra n a l y s i so fc a b l e - s u p p o r t e db r i d g e sb ym u l t i m o d ea n df u l l m o d e a p p r o a c h e s j w i n d e n g i n d a e r o d y n ，2 0 0 0 ，8 6 ：1 2 3 15 3 1 8 a m i y a k e ，t y o s h i m u r aa n dm m a k i n o ，a e r o d y n a m i ci n s t a b i l i t yo fs u s p e n d e dr o o f m o d a l s ，j w i n d e n g n d a e r o d y n ，1 9 9 2 ，4 l - 4 4 ：1 4 7 1 1 4 8 2 【1 9 】y n a k a m u r a ，r e c e n tr e s e a r c hi n t ob l u f f - b o d yf l u t t e r ，j w i n d e n g i n d a e r o d y n 1 9 9 0 3 3 ：l - 9 【2 0 】s k a w a k i t a ，b b i e n k i e w i c za n dj e c e r m a k a e r o e l a s t i cm o d e ls t u d yo fs u s p e n d e d c a b l e r o o f j w i n d e n g i n d a e r o d y n ，1 9 9 2 ，4 1 4 4 ：1 4 5 9 1 4 7 0 2 1 1 张相庭，王起，史宇炜大跨度索膜屋盖结构横风向非线性共振响应和空气动力失稳 研究大型复杂结构体系的关键科学问题及设计理论研究论文集，同济大学出版 社2 0 0 0 5 第二章风的特性及风振响应分析方法 上海交通大学博士后研究工作报告 第二章风的特性及风振响应分析方法 大跨空间结构是目前在工程中广泛应用的结构形式，并且结构跨度越造越大，材 料越用越轻，因此其自振频率低，属于风敏感性结构，在大跨空间结构中，风往往 是起决定作用的主要外荷载，因而研究这类结构在风作用下的动力响应具有重要意 义。 第一节风的基本特性 一、风速及风压 根据空气动力学理论，可以得到风速与其在结构单位面积上产生的风压的关系 为： w ：上上v 2 2g ( 2 1 ) 式中，y 为空气容重，g 为重力加速度。 作用于结构上任一点( x ，y , z ) 的风速y g ，y , z ) 为平均风速矿( z ) 和脉动风速 v ( 。，y ，z ) 之和： v ( x ，y ，z ) = 旷( ：) + v ( j ，y ，z ) 平均风是在给定时间内，风力大小、方向等不随时间改变的量， 间按随机规律变化，其性质相当于动力作用。 ( 2 2 ) 脉动风则随时 因此，结构上的风荷载包括两种成分：平均风和脉动风，因此风对结构的作用 有静力作用与动力作用之分。 作用于结构上由平均风引起的风荷载，称为平均风荷载，也称为静力风荷载。 为了反映结构上静力风荷载受各种因素的影响情况，又便于工程结构抗风设计的应 用，我国风荷载规范规定计算静力风压的公式为： 面= 肛：i t j 肛，w 0 ( 2 3 ) 式中：w 。为建筑物所在地区的基本风压；，为重现期调整系数：p ，为风压的 结构体型系数，由我国风荷载规范确定；“：为风压高度变化系数，它考虑了地面 粗糙度及风速随高度变化的影响： ，一、2 0 , p ：( z ) = l l 3 5 “3 2 ( 2 4 ) 门r 其中，0 c 、h ，为任意地貌的粗糙度系数及梯度风高度，见表2 一l 。 对于多自由度体系，结构上第1 点的静力风荷载为： 6 第二章风的特性及风振响应分析方法 上海交通大学博士后研究工作报告 p 。= p _ ：p 。ur w o a t 式中，m 、“为结构第f 点的体型系数及风压高度变化系数 的迎风面积。 各类地貌下的粗糙度系数和梯度风高度 ( 2 5 ) 4 为结构第f 层 表2 1 j地貌类型 abcd i 口0 1 20 1 602 2o 3 0 7 ( ) 3 0 03 5 04 0 04 5 0 二、脉动风压的功率谱密度函数 结构上任一鬲厦处的瞬时风压w 司表不为平均风压面与脉动风压w f 之和。根 据风压与风速的关系，脉动风速v ，与平均风速矿相比可看作是一微小量，可求得 脉动风压的方差为川 a ：，2 e 悱压h 刮= a 争 f 2 t 6 ) 由零均值的高斯平稳随机过程的性质，可知： 口j2 n ( f ) d f