单层球面网壳结构风荷载计算及风振系数影响分析

分类号型311三密级公珏单位代码学号100862008203单层球面网壳结构风荷载计算及风振系数影响分析THEWINDLOADCALCULATIONOFSINGLELAYERSPHERICALSHELLANDTHEIMPACTANALYSISOFWINDVIBRATIONCOEFFICIENT学位申请人李颖指导教师孙建恒教授学科专业结构工程学位类别工学硕士授予单位河北农业大学答辩日期二。一一年六月四日独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑皇堡盔些盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名签字日期W|年石月穸日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解塑兰堡盔些盘鲎有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塑皇垦盎些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名南敞导师签名幺水莲出乏签字R期删F年月了FI签字同期力7F年月扩日学位论文作者毕业后去向工作单位通讯地址电话邮编摘要网壳结构的风振影响的严重性、敏感性不亚于高层、高耸结构和大跨桥梁，往往成为结构设计的控制荷载，并且风振响应的计算方法理论性强，工作量大，在实际工程中的应用受到很大的限制，因此网壳结构的风荷载影响分析已成为亟待解决的问题。本文主要研究内容与成果如下1分别对结构进行总风荷载作用下的时程分析和结构在平均风与脉动风荷载共同作用下的时程分析，并进行位移、轴力和风振系数的对比，结果表明纯脉动风荷载对结构风振响应的影响很大，在计算过程中不应该忽略2分别考虑在结构所有节点均施加某一个相同的时程风荷载，和所有节点均施加各自的时程风荷载两种情况，研究这两种情况下结构的节点位移、单元内力和风振系数的变化规律，结果表明在结构模型上所有节点均施加某一个相同的节点风荷载，当该节点风荷载改变时，结构的风振响应变化不显著，但是在结构的每个节点上施加各自的时程风荷载时结构的风振响应变化显著，此时风振响应最大；3研究了刚度和矢跨比对单层球面网壳结构风振系数的影响，结果表明结构整体风振系数随着结构刚度和矢跨比的增大而减小，并且整体位移风振系数与结构矢跨比基本成线性关系；对于矢跨比为025的单层球面网壳结构，风振系数奇点多发生在边缘向内的第二圈节点和环向单元上，随着结构矢跨比的改变风振奇点的位置也发生变化。去掉大于5的风振系数，统计出结构具有95保证率的整体风振系数，当矢跨比为025时，结构的整体位移风振系数为45595，整体内力风振系数为42039。根据本文的分析，综合考虑矢跨比和刚度的影响，建议单层球面网壳的整体风振系数可偏安全地取为46。本文为大跨度空间结构的抗风设计提供了一定依据，并计算了单层球面网壳结构的风振系数，提出了单层球面网壳结构风振响应分析中的不足之处和尚待解决的问题。关键词单层球面网壳；风荷载；风振系数时程分析；THEWINDLOADCALCULATIONOFSINGLELAYERSPHERICALSHELLANDTHEIMPACTANALYSISOFWINDVIBRATIONCOEFFICIENTAUTHORLIYINGMAJORSTRUCTURALENGINEERINGTUTORSUNJIANHENGABSTRAETTHEINFLUENCEOFWINDVIBRATIONONRETICULATEDSHELLISNOTLESSTHANTHATONHI【GHRISESTRUCTURESANDLONGSPANBRIDGESINMOSTEASESTHEWINDLOADBECOMESTHECONTROLLOADBUTTHECALCULATIONOFWINDVIBRATIONRESPONSEHASSTRONGTHEORIESANDHEAVYWORKLOAD，ANDITSAPPLICATIONISRESTRICTEDINPRACTICALENGINEERINGSUCHTHEINFLUENCEOFWINDLOADONRETICULATEDSHELLHASBECOMEURGENTPROBLEMTOBESOLVEDTHEMAINRESEARCHCONTENTSANDACHIEVEMENTSOFTHISPAPERARESHOWNASFOLLOWING1THETIMEHISTORYANALYSISOFSTRUCTURESUNDERTOTALWINDLOADANDUNDERCOMBINEDACTIONOFAVERAGEWINDANDFLUCTUATINGWINDARECONDUCTEDRESPECTIVELYTHECONCLUSIONTHATTHEEFFECTOFPUREFLUCTUATINGWINDONSTRUCTURESWINDINDUCEDRESPONSESHOULDNOTBEIGNOREDINCOMPUTATIONALPROCESSCANBEOBTAINEDBYCOMPARINGTHERESULTOFDISPLACEMENT，AXIALFORCEANDWINDVIBRATIONCOE伍CIENT2DISCUSSTHECHANGELAWOFNODALDISPLACEMENT，ELEMENTFORCEANDWINDVIBRATIONCOEFFICIENTOFTWOCONDITIONSRESPECTIVELYONEISTHATALLOFTHESTRUCTURENODESBEARCERTAMSAMETIMEHISTORYWINDLOAD，ANDTHEOTHERISTHATALLOFTHESTRUCTURENODESBEARITSTIMEHISTORYWINDLOADITSELFITHERESULTSINDICATETHATTHEWINDINDUCEDRESPONSEOFTHESTRUCTUREISNOTSIGNIFICANTWHENTHENODALWINDLOADCHANGINGINTHEFIRSTCONDITION，BUTTHERESPONSEISSIGNIFICANTINTHESECONDCONDITIONTHEWINDINDUCEDRESPONSEISBIGGERINTHESECONDCONDITION3THEINFLUENCEOFCHANGINGTHESTIFFNESSANDRISESPANRATIOOFTHESTRUCTUREONWINDVIBRATIONCOEFFICIENTISDISCUSSEDTHERESULTSSHOWTHATTHEINTEGRALWINDVIBRATIONCOEFJFICIENTDECREASESINTHEWAKEOFTHEINCREASEOFSTIFFNESSANDRISESPANRATIOOFTHESTRUCTURE，ANDTHEINTEGRALWINDVIBRATIONCOEFFICIENTHASALINEARRELATIONSHIPWITHRISE。SPANRATIOFORTHESINGLE1AYERLATTICEDDOMESWITHRISESPANRATIO025，THESINGULARPOINTSOFWINDVIBRATIONALWAYSOCCURONTHENODESANDTHERINGDIRECTIONINELEMENTSONTHESECONDCIRCLEINWARDTHEEDGETHEPOSITIONSOFTHESINGULARPOINTSOFWINDVIBRATIONARECHANGINGWITHTHERISESPANRATIOCHANGINGGETTINGRIDOFTHEWINDVIBRATIONCOEFFICIENTTHATAREGREATERTHAN5，THEINTEGRALWINDVIBRATIONCOEFFICIENTWITHTHEGUARANTEERATEOF95PERCENTISCALCULATEDWHENRISESPANRATIOIS025，THEINTEGRALWINDVIBRATIONCOEFFICIENTOFDISPLACEMENTIS45595ANDTHEINTEGRALWINDVIBRATIONCOEFFICIENTOFINTERNALFORCEIS42039ACCORDINGTOTHEANALYSISOFTHISPAPER,COMPREHENSIVELYCONSIDERINGTHEEFFECTSOFSTIFFNESSANDRISESPANRATIO，THEINTEGRALWINDVIBRATIONCOEFFICIENTOFSINGLELAYERSPHERICALSHELLCANBEADOPTED46SECURELYTHEARTICLEPROVIDESCERTAINBASISFORWINDRESISTANTDESIGNOFLONGSPANSPATIALSTRUCTURESANDCALCULATESWINDVIBRATIONCOEFFICIENTOFSINGLELAYERLATTICEDDOMESTHENPOINTSOUTTHEDEFECTSANDPROBLEMSTHATREMAINSTOBESOLVEDINTHEWINDINDUCEDRESPONSEANALYSISOFSINGLELAYERLATTICEDDOMESKEYWORDSSINGLELAYERSPHERICALSHELL；WINDLOAD；WINDVIBRATIONCOEFFICIENT；TIMEHISTORYANALYSIS目录1弓L言111网壳结构的发展应用概况112大跨度网壳结构的风振分析现状2121大跨度网壳结构风振研究的重要性2122大跨度空间结构抗风研究现状2123风振响应计算方法313本文主要内容42风荷载特性及数值模拟一621平均风特性。622脉动风特性723结构风荷载一9231风荷载计算9232风速与风压的关系10233风振系数一1024风荷载的数值模拟1L24本章小结143单层球面网壳结构有限元模型1531网壳结构有限元理论1532空间梁单元1533风振动力响应时程分析16331随机风响应动力方程16332ANSYS分析步骤17333网壳结构ANSYS时程分析流程一1834单层球面网壳结构的有限元模型18341网壳的基本设计资料18342风速模拟20343风荷载体型系数20344风压高度变化系数2L345节点荷载转换2235本章小结224网壳风荷载计算方法研究。2341不同风荷载作用卜一肖点位移的比较2342不同风荷载作用卜单元轴力的比较2543不同风荷载作用。卜风振系数的比较3044本章小结3L5网壳风荷载输入方法研究3251不同风荷载作用下节点位移的比较3252不同风荷载作用下单元轴力的比较3453不同风荷载作用下风振系数的比较38Z12434345响5L数的影响一535758585859626364单层球面网壳结构风荷载计算及风振系数影响分析11网壳结构的发展应用概况1引言网壳结构是一种造型美观、受力合理的曲面型网格结构形式，兼有杆系结构和薄壳结构的特性和优点。网壳结构覆盖跨度大、材料耗量小、制作安装方便、综合经济指标优越，是一种颇受国内外关注、发展前景广阔的空间结构形式。1863年，有着“穹顶之父”之称的德国R程师施威德勒设计了世界上第一个钢结构穹项，一个直径30M的煤气罐顶盖。其结构形式是把穹顶壳面划分为经向肋和纬向水平环线，连接在一起，并且在每个梯形网格内再用斜杆划分成两个或四个三角形，这样穹顶表面的内力分布会更加均匀，结构的自身重量也会进一步降低，从而可跨越更大的空间，被称为“施威德勒穹顶”。以后相继产生的联方网格型、凯威特型、肋环型、短程线型、三向网格型等结构形式都是在施威德勒穹顶的基础上加以变化形成的。1976年建成的美国新奥尔良“超级穹顶”SUPERDOME图1采用K12型球面网壳，直径207M。近30年来，各种形式的网壳结构在美、日、欧、澳等发达国家发展迅速。建成于1993年的日本福冈体育馆图2，建筑平面为圆形，直径222M，屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成，扇形沿圆周导轨移动，体育馆即可呈全封闭、半开启和全开启三种状态，现为世界上最人的开合穹顶【卜3|。我国网壳结构在解放初期就已有所应用，当时主要是联方型的网状筒壳，材料为型钢或木材，跨度在30M左右，如扬州苏北农学院体育馆、南京展览中心、上海长宁电影院屋盖结构等。1956年建成的天津体育馆图3屋盖是我国第一幢大跨度网壳结构，采用带拉杆的联方型圆柱面网壳，平面尺寸为52M68M，矢高为87M。近年来我国空间结构得到快速发展，网壳结构己广泛应用于大型体育场馆、飞机库、车站、展览馆以及重要T业及民用建筑。已建成了南京国际展览中心图4、上海科技馆、上海东方明珠国际会议中心、长春五环体育馆、黑龙江省速滑馆、国家大剧院等一人批空间网壳结构。图1超级穹顶FIG1SUPERDOME图2日本福冈体育馆FIG2GYMNASIUMINFUKUOKAOFJAPAN河北农业大学硕十学位毕业论文K。，。，。磁J。纛瀚图3天津体育馆图4南京国际展览中心FIG3GYMNASIUMOFTIANJINFIG4NANJINGINTERNATIONALEXHIBITIONCENTER随着建筑材料、结构理论和计算机技术的发展，网壳结构必然得到更广阔的应用。除了追求跨度外，还需兼顾经济合理、节能环保、与周围环境的和谐性等众多方面的要求，对于网壳结构的研究必将日益完善，应用也必将日益广泛。其总的发展趋势为跨度越来越大、材料越米越经济、网壳结构的形式更加合理、可开闭的网壳结构将得到更多的发展和应用。12大跨度网壳结构的风振分析现状121大跨度网壳结构风振研究的重要性风灾是自然灾害中影响较大的一种，它发生频率高，次生灾害大，影响范围广，给人类带来了巨大的生命财产损失。并且随着全球变暖的影响，风致灾害有进一步扩大的趋势。据统计，全球每年由于风灾造成的损火达100亿美元，年平均夕匕亡人数2万人以上。从十九世纪末剑二十世纪初，相继出现重大工程风毁事故，引起了科研工作者对建筑结构风荷载研究的关注21。特别是1940年华盛顿塔科马悬索桥的风毁事故，进一步引起了土木工程界对建筑结构风振响应问题的重视。大跨度空间结构具有质量轻、柔性大、阻尼小、自振频率低等特点，尤其是目前对空间网格结构的跨越能力的要求不断提高，结构越米越趋于柔性化，人跨空间结构对风效应的敏感性大大增强。已有研究表明大跨空间结构风振影响的严重性、敏感性不亚于高层、高耸结构和大跨桥梁。在多数情况下，风荷载往往成为结构设计中的控制荷载【L孓14】。人跨空间结构往往比较低矮，在大气边界层中处于风速变化大、湍流度高的区域，再加上屋顶形状不规则，其绕流和空气动力作用十分复杂。调查结果表明，49的建筑物屋面受损，损害的情形不尽相同，有的局部屋面覆盖物或屋面桁架破坏或被吹走，有的甚至整个层面结构被吹走。因此，研究屋面风荷载的分布规律及风振响应特性以保证结构的抗风安全具有1卜常深远的意义。122大跨度空间结构抗风研究现状上世纪60年代现代风一I程研究的奠基人AGDAVENPORT教授将概率方法用于风特性研究和结构风响虑研究，奠定了结构风JR程研究的基础。70年代钝体空气动力学得剑研究。80年代，钝体空气动力学在大跨度结构风载风振等方面的理论研究成果开始为程设计服务。90年代人们认识到线性风振理论已经不能适应在风载作用下变形的柔性结构，开始考虑风荷结构的耦合作2单层球面网壳结构风荷载计算及风振系数影响分析用。40多年来，结构抗风研究主要集中在大型土木结构的风荷载响应和设计方法等方面。高层建筑和高耸结构的顺风向荷载和响应机理已趋于完善，基本建立了其顺风向抗风理论。由于形状复杂，大跨空间结构风荷的时空分布比高层、高耸结构和大跨桥梁复杂很多。刚性模型多点同步测压试验是研究大跨空间结构风荷载分布的主要方法。HYASUI【L5】在刚性模型风洞试验的基础上，采用蒙特卡洛法【L6】模拟脉动风速时程，在时域内进行人跨度屋面的风振响应分析；MARIODIPAOLAEL7】研究了多节点风速时程的计算机模拟和能量谱密度矩阵的分解；何艳丽、胡继军等18211发展了基于能量法的结构风振响应的频域分析方法沈世钊、杨庆山、史宁炜等2224】发展了以风速曲线的计算机模拟为基础的非线性随机振动时域分析法并且应用于大跨度柔性结构体系；陆峰、周岱、楼文娟等2527研究了大跨度平屋面结构及单层网壳等刚性结构体系的风振响应及风振系数周岱，沈祖炎【28J研究了作为杂交结构之一的人跨斜拉网格结构的动力特性和非线性动力响应。随着建筑结构风振理论的不断发展，人跨度屋盖结构的风振理论也在不断地进步。很多学者针对不同的角度进行了各种风振响应分析尝试，主要体现在风振系数的研究、风压分布的研究、等效静风荷载的研究等方面。123风振响应计算方法结构风振响应计算方法可分为频域分析法、时域分析法和随机振动离散分析法三火类【291。频域法的基本思想是按随机振动理论，将通用风速谱函数通过傅立叶变换直接转换为风压谱或将由风洞试验测得的风压时程，通过频域传递函数或动力传递系数得到作用于结构上的动力反应谱，然后通过反应谱积分得到结构在随机风荷载作用下的动力响应。频域法的特点是概念清楚，基本理论和思想明确，计算量小，但频域法不能考虑结构的非线性效应，不能给出随机风场作用下结构反应的相关函数、瞬态反应，不能考虑结构动力响应的时间空间相关性，并且对于大跨度结构，由于其频率密集，在计算中应取多少阶阵型进行分析，如何补偿阵型截断的能量损失，仍是一个需要研究的问题。频域分析基本思路如图5所示。图5频域法的基本思路FIG5THEBASICIDEAOFFREQUENCYDOMAINMETHODNAKAYAMA301指出人跨度屋盖结构的高阶模态中存在模态贡献很大的X一模态，但在传统的模态叠加法中容易被忽略。在其文中通过构造一个新的模态，即X一模态来弥补初始模态不足以反映的静力位移部分，并将X一模态和初始模态一起进行模态替加法的计算，可减少计算误差；何饱丽【311采用与NAKAYAMA类似的方法，不同的是从背景响应的角度构造补偿B一模态，并根据模态对系统应变能的贡献米判断所选模态是否包含了主要贡献模态邓华、李本悦321采用频域法分3河北农业大学硕学位毕业论文析了两个网壳结构，从组合振型阶数来看，取前15阶振型的计算结果就基本上趋于收敛；顾德敏、王爱国【33】通过对某游泳跳水馆屋盖结构的模态分析得出，考虑前20阶振型的影响可满足结构设计的需要，但必须考虑各振型之间的耦合作用。时域法基本思想是离散时间过程，即将风荷载描述成时间的函数，同时利用有限元法将结构离散化，在相应的单元节点上施加风荷载，通过在时域内直接求解运动微分方程的方法求得结构的响应。时域法在每一时间步中修正结构的刚度，使得结构的非线性因素得以考虑，并且能够考虑随机风场的时间相关性和空间相关性的影响，可以实时了解结构在风荷载作用时间内的动力响应状况。时域分析基本思路如图6所示。图6时域法的基本思路FIG6THEBASICIDEAOFTIMEDOMAIN张建胜、武岳、沈世钊【34】用随机模拟时程分析法对某一球面网壳和三向网格单层柱面网壳结构进行了风致动力响应分析，讨论了几何参数、气动参数、结构参数等对风振响应的影响，给出了风振系数计算公式；韩庆华、陈越、曾沁刨35】对角锥犁球面网壳进行了风振响应时程分析，得出了风振系数随几何参数变化规律，并同归出计算公式，为双层球面网壳结构的抗风设计提供参考。随机振动离散分析法将结构的响应在时域内离散，根据离散系统的振动方程导出结构响应的递推方程式，采用矩方程迭代法，直接从结构的刚度矩阵、质量矩阵和荷载的协方差阵出发，推导出结构响应均值和方差的递推式，可以迭代求解【391。由于整体考虑结构的振动特性，其计算精度相当于振型叠加法考虑结构所有振型参与组厶【矧。但该方法仅适用于白噪声激励，而风荷载是有色噪声，不能直接应用，必须对其进行白噪声滤波。通过对风谱的适当拟合，得到合适的滤波参数。采用线性计算模型时，该方法是收敛的。13本文主要内容网壳结构应用广泛，风敏感性很强，风振响应的计算方法理论性强，JI作量大，在实际T程中的应用受至0很人的限制。工程实际中刚风振系数米考虑风荷载的脉动效应，因此风振系数的研究就显得尤为重要。本文的主要内容如卜1根据脉动风荷载的性质，基于AR理论，采用MATLAB进行风荷载的数值模拟；2根据单层球面网壳结构的特点，利脂ANSYS软件建立有限元模型，综合考虑风速与风压的转化关系及风荷载体型系数和风压高度变化系数，将风荷载转化为节点的集中荷载；3对结构进行总风荷载作用下的时程分析和结构在平均风与脉动风荷载共同作用卜的时程4单层球面网壳结构风荷载计算及风振系数影响分析分析，并进行位移、轴力和风振系数的对比；4分别考虑在结构所有节点均施加某一个相同的时程风荷载，和所有节点均施加各自的时程风荷载两种情况，进行时程分析，并进行位移、轴力和风振系数的对比；5改变结构的刚度和矢跨比，研究其对风振系数的影响；6根据风振奇点的定义判断风振奇点，并计算网壳结构的整体风振系数。5河北农业大学硕士学位毕业论文2风荷载特性及数值模拟根据大量风的实测资料可以看出，在自然风的顺风向时程曲线中，包含两种成份一种是长周期部分，其值常在10分钟以上；另一种是短周期部分，只有几秒左右图7。根据上述两种风荷载组成，通常把自然风分为平均风和脉动风来加以分析。平均风V是在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其它物理量都看作不随时间而改变的量。考虑到风的长周期远远地大于一般结构的自振周期，因而其作用性质相当于静力。脉动风也称阵风脉动“是由于风的不规则性引起的，强度随时间按随机规律变化。由于它的周期较短，作用性质是动力的，引起结构的振动。藿汛怠如帆沮胁虮廿抛、L“B忱丸W“40驯“”21平均风特性馥3图7平均风速与脉动风速FIG7AVERAGEWINDSPEEDANDVIBRATIONWINDSPEED平均风的来流方向是水平的，其平均风剖面主要以地面粗糙度指数和基本风速为影响因素。基本风速是指不同地区气象观察站通过风速仪的大量观察、记录，并按照我国规定标准的地面粗糙度类别、标准高度及重现期、平均风时距和平均风概率分布类型等的记录数据进行统计分析进而得到该地的最人平均风速。平均风剖面的描述主要有指数律和对数律41,42。1对数律对数风剖面是平均风剖面的一种重要形式。AC冈津提出近地面的下部摩擦层比较符合对数规律，其一般表达式如_卜；Z，如2式中磊地面粗糙长度Z有效高度1，大气边界层内磊高度处的平均风速VZ1火气边界层内Z7高度处的平均风速K卡曼KARMAN常数，K取046单层球面网壳结构风荷载计算及风振系数影响分析2指数律较早时，对于水平均匀地形的平均风速轮廓线一直采用GHELLMAN在1916年提出指数规律，后由AGDAVENPORT根据多次观测资料整理出不同场地下的风剖面，并提出平均风沿高度变化的规律可用指数函数给予描述，即警埘屹LZ622式中Z。标准参考高度V6标准参考高度处的平均风Z任一高度Y任一高度处的平均风速口地面粗糙度指数，根据我国建筑结构荷载规范GB500092006T431选用。研究表明近地面的下部摩擦层对数律更符合风速实测资料，但对数律与指数律计算结果差别不大，指数律更为简便，故在土木工程结构设计计算中通常采用指数风剖面。22脉动风特性脉动风是一种随机过程。通过对人量风速实测记录的样本时程进行统计分析可知，脉动风速可用零均值的高斯平稳随机过程描述，并且具有明显的各态历经性。脉动风由人气湍流引起，湍流脉动是各种尺度的涡旋相互叠加、相互作用的结果。脉动风可通过风速谱密度函数和相干函数来描述，谱密度函数表示脉动风随机过程在频域内关于振动幅值的统计信息。1脉动风速谱脉动风速谱是应用随机振动理论进行计算的必备资料，反映了风能量风速按频率的分布情况。许多风丁程专家对风速谱进行研究分析，得到不同形式的风速谱表达式1441，其中应用最广的是DAVENPORT谱。下面简要介绍几种功率谱。1DAVENPORT谱DAVENPORT根据世界上不同地点、不同高度测得的90多次强风记录，提出水平脉动风速谱的经验公式删石4K刀X2X1200兰YLO式中鼠胛脉动风速功率谱，L脉动风频率K地面粗糙度系数VLO标准高度为LOM处的风速237河北农业大学硕士学位毕业论文82KARMAN谱L100Z30V2FH|Z鼠Z,N，。茄新式中湍流积分长度玩剪切风速刀脉动风频率Z一距地面高度UZ高度处的平均风速3KAIMAL谱玑K；T。LN10ZO，ZNKSVN2器式中K卡门常数，鬈取04磊地面粗糙度长度VLO标准高度为LOM处的风速刀脉动风频率Z一距地面高度UZ高度处的平均风速巩剪切风速41SOLARI谱T3004300。46。0741“0FLN咖，2茄街式中湍流积分长度R距地面高度ZO地面粗糙度B度N脉动风频率2_42526单层球面网壳结构风荷载计算及风振系数影响分析5竖向风速谱一般采用HAPANOFSKY谱瓯甩6机2而JNZ一2脉动风的空间相关性由于结构具有一定的尺寸，当结构上一点L的脉动风压达到最大值时，在一定的范围内，离开L点越远，脉动风压同时达到最人值的可能性越小，性质称为脉动风的空间相关性。对人跨度网壳结构，风速空间相关性需要考虑三个方向的相关性，DAVENPORT推荐的相干函似一XP煎亟雩一陋8，式中E空间任意两点左右衰减系数，通过试验或实测确定C。空间任意两点上下衰减系数，通过试验或实测确定C空间任意两点前后衰减系数，通过试验或实测确定23结构风荷载根据我国建筑结构荷载规范GB500092006，本文只考虑结构顺风荷载。231风荷载计算根据我国建筑结构荷载规范GB500092006，对于主要承重结构，风荷载标准值的表达有两种形式一种是平均风压加上由脉动风引起的导致结构风致振动的等效风压力另一种是平均风压乘以风振系数。在结构风振计算中，通常是第一振型起主要作用，我国采用后一种表达形式，即采用风振系数伊综合考虑在风荷载作刚下结构的静力和动力效应。WK屈以以WO29式中风荷载标准值屈_Z高度处的风振系数从风载体型系数以风压高度变化系数基本风压9河北农业大学硕十学位毕业论文风载体型系数和风压高度变化系数是随着结构形式和高度的变化而变化的，其取值方法可参考建筑结构荷载规范GB500092006。本文讨论基本风压和风振系数的计算。232风速与风压的关系在实际观测中一般记录风速，在工程计算中通常使用风压，故需将风速转换为风压。风压与风速之间关系可片J伯努利方程表示式中1，流速W某点流体压力C常数P流体密度普遍使用的风速风压关系式是式中P空气密度7空气容重广重力加速度1，风速W一委工CW一三【工CW毛肛挚其中风速1，中包含平均风速1，和脉动风速飞，即1，V飞，将其带入式211篌JL233风振系数2一LO211WJ1尸一2互1P；_F212P沁，互1212作JHJ在结构上的风是由平均风与脉动风组成，平均风可川静力方法进行分析计算；脉动风是随机的，是动力|UJ题，必须引入随机振动的理论加以分析，这就使得JI作量人人增加。为便丁T程应川，我国建筑结构荷载规范GB500092006采川风振系数米考虑脉动风效麻的影响，等效静力风荷载，IJ静力风荷载和风振系数的乘积表示。风振系数是指风引起的结构最人响应与平均风引起的响应的比值，有两种表达形式【25】内力风振系数和位移风振系数。内力风振系数是指住平均风和脉动风共同作用下内力总和与平均风作用下内力的比值。风荷载内力由平均风和脉动风两部分引起的轴力组成，即10单层球面网壳结构风荷载计算及风振系数影响分析PZPSIZZ213式中只，Z叫高度处某单元的平均风荷载内力值昂，ZZ高度处某单元脉动风荷载内力值风荷载内力总和只Z和平均风荷载内力值只，Z的比值可得到符合我国建筑结构荷载规范GB500092006规定的内力风振系数的表达式眦，器警小鬻陆位移风振系数为节点在平均风和脉动风共同作用下位移总和与平均风作用下对应节点位移比值尾篑半小琶陋式中玑，UN，在平均风和脉动风共同作用下的节点位移总和阢，在平均风作用下的对应节点位移风振系数在结构风振分析中有着非常重要的作用，反映了随机风荷载作用卜结构的响应、振动幅度及分布规律等，也是将抗风分析与抗风没计联系起来的直接元素。在FT程设计中通常使用静位移乘以风振系数来确定结构在风荷载作用下的总位移响应，冈此确定结构风振系数对抗风设计有很人的意义。24风荷载的数值模拟风荷载可分解为平均风和脉动风，脉动风对结构的作用是随机的，应按随机振动理论求其动力响应。脉动风速时程激励样本的获得是结构随机风致振动时域分析的前提条件。脉动风是由风的紊流引起的，通常采用风洞试验和现场实测手段确定，但这两种方法都很复杂，耗时耗资巨大，且仅仅针对特定的工程结构，同时目前已有的空间风场的观测记录资料有限，很雉满足工程计算的要求，因此对具有空间相关性的风场进行数值模拟显得十分重要，而且计算机模拟脉动风可以考虑场地、风谱特性、建筑物特点等条件的任意性。在一般情况下，脉动风速可作为平稳随机过程处理，即它的统计特性不依赖于时间原点的选择，处处相等，且风速谱服从止态分布高斯特性。冈此脉动风可以用随机过程的理论来模拟。目前国内外风速模拟的方法主要有谐波叠加法和线性滤波、法1454引。谐波叠加法HARMONYSUPERPOSITIONMETHOD是用一系列具有随机频率的余弦函数序列加权叠加来模拟随机过程，要在每个频率上进行人量运算，随机频率的生成相当耗时，运算效率低且不能很好地考虑风场空间相关性。线性滤波法即白噪声滤波法WHITENOISEFILTRATIONMETHOD，是将人I生成的均值为零的白噪声随机系列通过滤波器，使其输出为具有指定谱特征的平稳随机过程。近年来，线性滤波法中的白同门模犁ARMODEL冈其计算量小、计算速度快而被J，泛应川于随机河北农业大学硕十学位毕业论文振动分析4749。本文基于自然风特性，考虑结构不同节点之间的空间相关性，采用AR模型模拟具有随机性、时间相关性和空间相关性的风速时程，采用MATLAB实现风荷载的数值模拟。风速观测记录表明瞬时风速包含两种成分周期在10分钟以上的平均风和周期在几秒钟的脉动风50】。作用于结构上任一点坐标为慨力的风速UX,XZ,T可以表达为平均风ZZ1和脉动风速VX,XZ,O之和，即UX，Y，Z，FYZ矿X，Y，Z，T216平均风速沿高度变化的规律可用指数函数来描述，即_ZM。笥217式中口地面粗糙度系数巧O10M高度处平均风速平均风在给定的时间间隔内风力大小、方向等不随时间而改变；脉动风则随时间和空间随机地变化，主要引起结构的振动，工程中常常将其作为具有零均值的各态历经的高斯随机过程来处理。风场模拟主要是针对脉动风而言的。对于大跨度空间结构，由于矢跨比较小，节点坐标竖向数值高度变化不大，可采用DAVENPORT风速谱【5LL洲2孚南1200XF1一。1。一KO218式中K表面阻力系数厂脉动风速频率墨，厂F_，时为脉动风速自谱密度函数；F，时为脉动风速互谱密度函数，可由脉动风速自谱密度函数S，厂和相干函数I，厂确定，IL，M；1，M；M为所模拟模型的节点数。12通过相干函数，考虑风速时程的空间相关特性，其三维表达式为，；，FEXP一2F辰再了巧F可I霄可矿Z，歹Z，219R220单层球面网壳结构风荷载计算及风振系数影响分析式中C，空间任意两点左右衰减系数，通过试验或实测确定E，空间任意两点上下衰减系数，通过试验或实测确定E空间任意两点前后衰减系数，通过试验或实测确定V磊第F点的平均风速VZ，第，点的平均风速五，咒，刁空间F点的三维坐标，F1，M工，Y，Z，空间点的三维坐标，_，L，M脉动风速时程本质上是随机时间系列，可用AR模型模拟。在满足工程计算精度要求的前提卜，可对脉动风速时程作以下假定1任意一点处平均风速不随时间改变；2脉动风速时程是零均值平稳随机过程；3风速时程具有空间相关性。M个点空间相关脉动风速时程VX,R,ZO歹0向量的AR模型可表示为152】VX，Y，Z，F一VX，Y，Z，TKATNTXXI，H】R】，【Y，】7Z【Z“，锄】7式中薯，M，乞空间第，点坐标，I1，M卜AR模型阶数出模拟风速时程的时间步长虬AR模型自回归系数矩阵，为MM阶方阵，KI，PF独立随机过程向量NTLXNT以RH叽，RR式中吩F均值为0，方筹为1且彼此相互独立的止态随机过程，I1，MM阶下三角矩阵，通过MXM阶协方筹矩阵凡的CHOLESKY分解确定223224225226RNLXQ27由平稳随机过程的性质可得AR模型的正则方程13叫蚴厶P，L河北农业大学硕士学位毕业论文R脚网凡RO芝GKRKAT，炸】R式中少P1MM阶矩阵，M阶单位阵DPXM阶矩阵，其元素全部为0RP1MP1M阶自相关TOEPLITZ矩阵，形式如下RI。0恐。缸恐。2ATRAT垦0R3ATRI32ATR，R，0L气PMPAT置肿P一1AT置，13P一2AT一墨P。PAT墨。P一1ATP1P2AT；川X，。O其中相关函数R，MAT是MXM阶方阵，I1，P1；，1，PL；聊O，P，可由WIENERKHINTCHINE公式确定R,JFJCO鼍，C。S2AFF228229230231232具体求解过程为由脉动风速自谱密度函数S，厂和相干函数OI厂确定鼍，厂后，代入式228和式231，可分别解出AR模型同归系数矩阵少和协方差矩阵如。然后由式225和式227求PDF，代入式221即可得到M个具有时间相关性和空间相关性的离散脉动风速时程，再结合式216；RDL式217，即得到空间各个节点的风速时程5引。计算时假定初始时刻之前的风速为0，即T0时，矿FO。24本章小结本章描述了风荷载的组成及各组成部分的特性，根据脉动风荷载的性质，基于AR理论，采用MATLAB进行风荷载的数值模拟，可得剑结构空间各个，点的风速时程。14单层球面网壳结构风荷载计算及风振系数影响分析3单层球面网壳结构有限元模型31网壳结构有限元理论单层网壳结构由若干杆件连接而成，采用空间梁单元进行网壳杆件的模拟，建立精确有限元模型54551。在有限元模型的建立和计算中一般采用如下假设1网壳的节点均为完全刚性的空间17点，忽略17点的变形；2杆件单元处于线弹性工作状态，质量均匀分布，采用集中质麓矩阵表示；3包括网壳本身自重的静荷载和活荷载等效为集中质量，作用丁各节点上4结构总体阻尼较小，可考虑为刚度矩阵及质量矩阵的线性组合，即满足瑞雷阻尼假设；5风荷载通过围护构件、屋面材料等线性传递而等效作用于网壳各节点，即加载于有限元计算模型的各节点上。32空间梁单元空间梁单元模型如图8所示图8空间梁单元FIG8SPACEBEAMCLEMENT空间梁单元有两个节点，每个1了点有六个自由度三个线位移和三个角位移。分别对应着六个节点力三个集中力，三个力矩。根据空间梁单元的特点，通常作下列假设1梁单元为等截面双轴对称的直杆2在变形期间，梁截面仍保持平面，但不必乖直丁中性轴；3梁单元可承受人位移，人转角，小廊变；4材料为各向同性的均质材料。根据以上假设，在变形过程中，梁单元的横截面不变。在局部坐标系下，梁单元的梁端位移向量和梁端力向量可写为15河北农业大学硕士学位毕业论文DUKVKWKOXK9YK9。KUJVJWJ9Q9D9A30FNXKNYKN呔M咄M出M。KN日N日N日MQM口MA32单元刚度矩阵为KE朋尉12EIZE6EIZF一12E6EIP12E，YE6EIY上2GY三一G】三33风振动力响应时程分析331随机风响应动力方程4ELY三一6EIZP2EIJ，上4EFZL6EIZF2EIZ工朋火跨网壳结构在随机风荷载作用下的动力微分方程可以写为1612E，ZE6EIZF【M水R【CR“RPZ式中M结构的质量矩阵脚结构的刚度矩阵【Q结构的阻尼矩阵仞T随机风荷载向量对称12日PGJ6E194EIPR工4EIZ3334堡P墨舻等孚单层球面网壳结构风荷载计算及风振系数影响分析时程动力分析中的阻尼是指结构在风振时，结构与支撑之间的摩擦、材料之间的内摩擦、周围介质的阻力等引起的振动振幅的衰减作用。工程中一般采用粘滞阻尼，即阻尼力与反应速度成正比。一般处理阻尼矩阵有两种方法模态阻尼和瑞雷阻尼。本文数值计算采用瑞雷RAYLEIGH阻尼。阻尼矩阵可由质量矩阵和刚度矩阵线性表示口和确定方法如下【C】口阻】陋】，4X孝一2哆哆孝哆一哆弘丽2声葛一TTT|一稻裂353637在哭吣上任I1中，通常认为Q和哆是结构振动中与两个主振型相对应的频率。我国建筑结构荷载规范GB500092006建议结构阻尼比孝取002，钢结构实测值一般在00150025。332ANSYS分析步骤本文中网壳结构的风振响应时程分析通过有限元软件ANSYS瞬态动力学分析实现【56|。瞬态动力学分析即时间历程分析，可用米确定结构在任意随时间变化的荷载作用下的动力响应，确定在静荷载、瞬态荷载和简谐荷载的任意组合作用下结构随时间变化的位移、应变、应力等。本文采用完全瞬态法进行动力时程分析，分析步骤如下1建立有限元分析模型。选用BEAML88单元模拟杆件，MASSA21单元模拟球1了点，约束网壳结构周边支座节点的X、Y、Z三个方向的平动自由度，形成三向同定铰支座；2确立分析类型和分析方法。采用完全瞬态分析方法，时间积分方法为NEWMARK法；3根据风速风压的转换关系计算风压，将各节点的风压曲线记录定义为数组读入，然后乘以该点的风载体型系数、风压高度变化系数和节点所辖的面积，将风荷载转换为1了点的集中荷载；4将各个时间步的荷载施加到结构上进行求解，即可获得网壳结构在风荷载作【LJ下的风振时程响应。17河北农业大学硕士学位毕业论文333网壳结构ANSYS时程分析流程网壳结构风振时程分析步骤如下图所示图9风振时程分析流程图FIG9FLOWCHARTOFTHEWINDTIMEHISTORYANALYSIS34单层球面网壳结构的有限元模型341网壳的基本设计资料K6型单层球面网壳结构在人跨空间结构中应用比较广泛，具有网格划分规则、受力合理等优点。本文所用的K6型单层球面网壳的基本参数如下网壳跨度40M，矢跨比为O25，欠高10M。静荷载为03KNM2，活荷载O5KNM2，控制荷载组合为12静荷载14活荷载，约束为周边冽定铰支座，支撑高度为10米，B类地貌，采用空间结构分析设计软什MST2008进行结构的初步设计，配置杆件和球肖点。网壳杆件全部采用矽89X4的Q235无缝钢管，节点全部采用WS280X6的焊接空心球。网壳1J点编号如图10所示，网壳单元编号如图LL所示，坐标轴采川笛尔坐标系。18单层球面网壳结构风荷载计算及风振系数影响分析图10节点编号FIGI0THENODENUMBER图LL单元编号FIGIITHEELEMENTNUMBER河北农业火学硕士学位毕业论文对该单层球面网壳结构进行模态分析得到前三阶的频率，其中一、二阶频率较为接近，所以取一、三阶频率计算结构的阻尼参数。该模型的振动圆频率及阻尼系数列于表1表1单层球面网壳结构的振动圆频率及阻尼参数I翌生2翌墼9坚竺Z12璺垒巴PIG仑翌巴宝望21兰I翌量宝Z笪P虫圆频率RADSQ1793C021793鸭1990口0380001057342风速模拟本文基于前述的AR法，采用MATLAB进行脉动风模拟。风速时程模拟的主要参数如下脉动风速谱类型为DAVENPORT谱，AR模型回归阶数P4，时间步长出O1S，模拟时间T120S，地面粗糙度K0003采用B类地貌，10M高处的风速为K。30MS，衰减系数E，C。C_分别为16，8，LO。本文平均风速根据建筑结构荷载规范GB50092006采用保定地区重现期为50年的基本风压04KNM2，对应的平均风速为253MS，平均风与脉动风之和即为总风荷载。AR法可模拟结构所有点风速，其中11节点脉动风速时程曲线如图12所示1510O5甚0510模拟脉动风速0102030405060708090100110120TS图12节点LL模拟风速时程曲线FIG12THESIMULATEDWINDHISTORIESOFNODELL343风荷载体型系数网壳结构风荷载体型系数可按建筑结构荷载规范GB50092006D规定选用，本文为K6型单层球面网壳，采川旋转壳顶的体型系数，如图13所示20单层球而网壳结构风荷载计算及风振系数影响分析一24一,4旋转壳顶饿胪删344风压高度变化系数图13体型系数FIG13SHAPEFACTOR对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别确定。地面粗糙度可分为A、B、C、D四类_A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；_B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。风压高度变化系数列丁表22L河北农业大学硕十学位毕业论文表2风压高度变化系数生宝丛I吐Z型呈幽2璺E鬯竺堡12垡型竺离地面或海平面高地面粗糙度类别度MABCD51171OO074062101381OO07406215152114074062201631250840623018014210006240192156113073502031671250846021217713509370220186145102802271951541119023420216211910024020917012715026423820316L20028326L23019225029928025421930031229727524535031231229426840031231231229L450312312312312345节点荷载