基于多案例剖析的体育场悬挑屋盖风振控制策略与优化研究

基于多案例剖析的体育场悬挑屋盖风振控制策略与优化研究一、引言1.1研究背景与意义随着现代体育事业的蓬勃发展，体育场馆作为举办各类体育赛事、文化活动的重要场所，其建设规模和复杂程度不断提升。体育场悬挑屋盖作为体育场馆的重要组成部分，以其独特的造型和大跨度的空间结构，为观众提供了广阔的视野和舒适的观赛体验，成为现代体育场馆建筑的标志性特征之一。然而，这种结构形式在满足建筑功能和美学要求的同时，也面临着诸多挑战，其中风振问题尤为突出。体育场悬挑屋盖通常具有质量轻、刚度小、阻尼低以及自振周期长等特点，这些特点使得其对风荷载极为敏感。在强风作用下，悬挑屋盖容易产生大幅振动，这种振动不仅会影响结构的安全性和稳定性，还可能对屋盖的围护结构、内部设备以及观众的舒适度造成不利影响。当风振响应过大时，屋盖结构的杆件可能会承受过大的应力，导致结构疲劳损伤，甚至发生破坏；围护结构可能会出现松动、脱落等现象，危及人员安全；内部设备如照明、音响等可能会因振动而无法正常工作；观众在观赛过程中也可能会因感受到强烈的振动而产生不适，影响观赛体验。以2018年台风“山竹”袭击广东地区为例，部分体育场馆的悬挑屋盖在强风作用下出现了不同程度的损坏。其中，某体育场的悬挑屋盖部分杆件发生了屈曲变形，围护结构的彩钢板被大风掀起，造成了严重的经济损失，也给后续的修复工作带来了极大的困难。又如，在2021年的一场大风天气中，某新建体育场的悬挑屋盖出现了明显的振动，引起了现场观众的恐慌，尽管最终未造成结构破坏，但也暴露出了该体育场在风振控制方面存在的问题。风荷载本身具有高度的随机性和复杂性，其特性受到地形地貌、气象条件、建筑物周围环境等多种因素的综合影响。对于体育场悬挑屋盖而言，其独特的外形和结构特点进一步加剧了风荷载的复杂性。由于悬挑屋盖的悬挑部分处于开放空间，气流在其表面的流动状态十分复杂，容易产生分离、再附、漩涡等现象，导致屋盖表面的风压分布极不均匀，不同部位的风荷载大小和方向差异较大。此外，风振响应的计算涉及到结构动力学、空气动力学等多个学科领域，需要综合考虑结构的动力特性、风荷载的时程变化以及结构与风的相互作用等因素，这也增加了准确预测风振响应的难度。在我国现行的《建筑结构荷载规范》中，针对体育场悬挑屋盖的风荷载计算方法相对简单，难以准确反映其复杂的风荷载特性。规范中给出的体型系数等参数往往是基于一些简化的假设和试验数据，对于实际工程中多样化的悬挑屋盖形式和复杂的风环境条件，其适用性存在一定的局限性。这就导致在工程设计中，仅依据规范进行风荷载计算，可能会低估或高估结构所承受的风荷载，从而给结构的安全性和经济性带来潜在风险。如果低估风荷载，结构在实际使用过程中可能无法承受强风的作用，存在安全隐患；而如果高估风荷载，则会导致结构设计过于保守，增加不必要的建设成本。因此，开展体育场悬挑屋盖风振控制研究具有重要的现实意义。通过深入研究悬挑屋盖的风振响应特性和控制方法，可以为体育场馆的结构设计提供更为准确、可靠的理论依据和技术支持，有效提高结构的抗风能力和安全性，降低风灾对体育场馆造成的损失。同时，合理的风振控制措施还可以减少结构的振动响应，提高观众的舒适度，保障体育场馆的正常使用功能。此外，对体育场悬挑屋盖风振控制的研究，也有助于丰富和完善结构风工程领域的理论和方法，推动相关学科的发展，为其他类似大跨度空间结构的风振控制研究提供有益的参考和借鉴。1.2国内外研究现状体育场悬挑屋盖风振控制研究在国内外均受到广泛关注，随着大跨度空间结构的发展以及风工程学科的进步，相关研究取得了一系列成果，同时也存在一些有待进一步解决的问题。国外对体育场悬挑屋盖风振控制的研究起步较早。早在20世纪中叶，随着体育建筑的兴起，学者们开始关注大跨度悬挑屋盖结构在风荷载作用下的响应问题。早期的研究主要集中在风荷载的测量和简单的结构动力响应分析。通过现场实测和模型试验，初步了解了风荷载的特性以及悬挑屋盖结构的振动规律。例如，在一些早期的体育场建设中，通过在屋盖上布置风速仪和加速度传感器，对实际风荷载和结构振动进行监测，为后续研究提供了宝贵的数据基础。随着科技的发展，数值模拟和计算技术逐渐应用于风振控制研究。20世纪80年代以后，有限元方法的兴起使得复杂结构的力学分析成为可能。学者们开始利用有限元软件对体育场悬挑屋盖进行建模，分析其在风荷载作用下的应力、应变和位移响应。同时，计算流体力学（CFD）技术的发展也为风荷载的数值模拟提供了有力工具。通过CFD模拟，可以更加准确地预测屋盖表面的风压分布，为结构设计提供更可靠的依据。例如，Nakamura在1994年采用模态力法对一个体育场双边悬挑屋盖进行风振分析，采用六阶振型计算的动力位移与弹性模型试验结果基本吻合，说明采用模态分析法计算随机激励下的结构响应是可行的。Holmes在1997年认为体育场大跨屋盖结构的风荷载通常受平均分量和背景脉动分量控制，因此对背景分量的计算非常重要。在风振控制措施方面，国外也进行了大量的研究和实践。被动控制技术如阻尼器的应用较为广泛。粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器等被安装在悬挑屋盖结构中，有效地减小了结构的风振响应。主动控制技术和半主动控制技术也在一些研究中得到探索。主动质量阻尼器（AMD）、主动拉索控制系统等被尝试应用于体育场悬挑屋盖的风振控制，虽然在实际工程中的应用还相对较少，但为未来的发展提供了新的方向。国内对体育场悬挑屋盖风振控制的研究始于20世纪末，随着国内大型体育场馆建设的蓬勃发展，相关研究逐渐深入。早期的研究主要借鉴国外的经验和方法，通过风洞试验和数值模拟对体育场悬挑屋盖的风荷载特性和结构响应进行分析。例如，张学安和陈水福采用数值模拟方法并结合风洞模型试验数据，对一平屋面和一斜屋面的体育场主看台悬挑屋盖的表面风压进行了计算和分析，对屋盖上下表面的风压分布规律进行了总结和归纳，并提出了两种屋面情况的屋盖风荷载简化分布图线和计算方法。近年来，国内在风振控制理论和方法上取得了一定的创新成果。一些学者提出了新的风振响应计算方法，如完全背景与共振分量法，该方法采用协方差积分法结合柔度矩阵精确求解风振位移响应的背景分量，并考虑共振分量中的模态交叉项影响，提高了计算效率和精度。在风振控制措施方面，国内不仅在被动控制技术上不断优化，还积极开展主动控制和半主动控制技术的研究。一些新型的阻尼器和控制装置被研发和应用，同时，智能控制算法在风振控制中的应用也成为研究热点。然而，目前体育场悬挑屋盖风振控制研究仍存在一些问题。在风荷载特性研究方面，虽然风洞试验和数值模拟取得了一定进展，但对于复杂地形和周边环境下的风荷载准确预测仍存在困难。不同的风洞试验条件和数值模拟方法可能导致结果存在差异，缺乏统一的标准和验证方法。在风振响应计算方面，现有的计算方法在考虑结构与风的相互作用、非线性因素等方面还不够完善，计算精度有待进一步提高。对于一些新型的结构形式和材料，现有的计算理论可能并不适用，需要进一步研究和探索。在风振控制措施方面，虽然被动控制技术已经得到广泛应用，但如何优化阻尼器的布置和参数，以达到最佳的控制效果，仍需要深入研究。主动控制和半主动控制技术虽然具有很大的潜力，但由于其系统复杂、成本较高、可靠性有待提高等问题，在实际工程中的应用还受到一定限制。此外，风振控制与结构设计的一体化研究还不够深入，如何在结构设计阶段充分考虑风振控制的要求，实现结构安全性、经济性和舒适性的最优平衡，也是未来研究的重点方向之一。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本文将围绕体育场悬挑屋盖风振控制展开多方面的研究，旨在深入了解其风振特性并提出有效的控制策略。悬挑屋盖风荷载特性研究：利用风洞试验，对不同形状、尺寸和边界条件下的体育场悬挑屋盖模型进行测试，测量屋盖表面的风压分布，获取平均风压系数和脉动风压系数，分析其随风向、风速和结构形式的变化规律。结合计算流体力学（CFD）数值模拟，建立三维流场模型，模拟风在悬挑屋盖周围的流动情况，与风洞试验结果相互验证，进一步探究复杂风环境下的风荷载特性。例如，研究地形地貌对风荷载的影响，分析周围建筑物的干扰效应。风振响应计算方法研究：基于结构动力学原理，建立悬挑屋盖的有限元模型，考虑结构的几何非线性和材料非线性，采用合适的数值算法求解风振响应。对比不同的风振响应计算方法，如频域法、时域法和随机振动理论，分析其优缺点和适用范围，改进现有计算方法，提高计算精度和效率。例如，针对传统完全二次方结合法（CQC）在计算复杂大悬挑屋盖风致响应时存在的计算速度慢和内存需求高的问题，采用完全背景与共振分量法，精确求解风振位移响应的背景分量，并考虑共振分量中的模态交叉项影响。风振控制方法研究：研究被动控制技术，如粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器等在悬挑屋盖风振控制中的应用，分析阻尼器的布置位置、数量和参数对控制效果的影响，通过优化设计，确定最佳的阻尼器配置方案。探索主动控制技术和半主动控制技术，如主动质量阻尼器（AMD）、主动拉索控制系统和磁流变阻尼器等在悬挑屋盖风振控制中的可行性，研究控制算法和系统实现方式，进行数值模拟和试验验证。例如，采用模糊控制算法对主动控制装置进行控制，提高系统的响应速度和控制精度。风振控制效果评估：建立考虑风振控制措施的体育场悬挑屋盖结构模型，进行风振响应计算，对比有无控制措施时的结构响应，评估控制效果。制定风振控制效果评估指标，如位移控制率、加速度控制率和能量耗散率等，综合考虑结构的安全性、舒适性和经济性，对不同的风振控制方案进行评价和优化。例如，通过计算位移控制率来衡量阻尼器对结构位移响应的减小程度，通过能量耗散率来评估阻尼器的耗能能力。1.3.2研究方法为实现上述研究内容，将综合运用多种研究方法，确保研究的全面性和深入性。风洞试验：设计并制作缩尺比例的体育场悬挑屋盖刚性模型和气动弹性模型，在风洞中模拟实际风场条件，测量屋盖表面风压分布和结构的风振响应。刚性模型用于测量平均风压和脉动风压，获取体型系数等风荷载参数；气动弹性模型用于模拟结构在风荷载作用下的动态响应，包括位移、加速度和应力等。通过风洞试验，获得真实可靠的风荷载和结构响应数据，为数值模拟和理论分析提供依据。例如，在南京航空航天大学的Ntt2低速风洞进行试验，实验段尺寸为3.0m（宽）×2.5m（高）×18m（长），转盘直径2.3m，模型几何缩尺比为1/200。数值模拟：运用计算流体力学（CFD）软件，如ANSYSFluent、CFX等，对风在悬挑屋盖周围的流动进行数值模拟，计算屋盖表面的风压分布。利用结构动力学软件，如ANSYS、SAP2000等，建立悬挑屋盖的有限元模型，进行风振响应分析。通过数值模拟，可以快速、灵活地改变结构参数和边界条件，研究不同因素对风振响应的影响，对风振控制方案进行优化设计。例如，在ANSYS软件中建立体育场挑篷结构模型，分析结构在风荷载作用下的节点位移、加速度和杆件轴力等响应。理论分析：基于结构动力学、随机振动理论和控制理论，推导体育场悬挑屋盖风振响应的计算公式，研究风振控制的基本原理和方法。建立风振控制的数学模型，分析控制效果与控制参数之间的关系，为风振控制方案的设计提供理论支持。例如，运用随机振动理论中的虚拟激励法求解结构在脉动风荷载作用下的抖振响应，考虑激励之间的相关性和振型交叉项的贡献。案例分析：选取实际的体育场悬挑屋盖工程案例，对其风振问题进行分析和研究，将理论研究成果应用于实际工程，验证风振控制方案的可行性和有效性。通过对实际案例的分析，总结经验教训，为今后的体育场馆建设提供参考和借鉴。例如，对沈阳奥林匹克体育中心体育场悬挑屋盖进行空间风振分析，考虑屋盖多个振型的影响，计算屋盖各结点的等效静力风荷载，分析屋盖的最大动位移，给出位移和应力两种风振系数。二、体育场悬挑屋盖风振理论基础2.1风荷载特性2.1.1平均风荷载平均风荷载是指在较长时间内（一般取10分钟）风对结构所施加的稳定作用力，它是风荷载的主要组成部分之一。从本质上讲，平均风是由于大气边界层内的平均气流对建筑物的作用而产生的。在大气边界层中，气流受到地球表面摩擦力、气压梯度力等多种因素的综合作用，形成了具有一定平均速度和方向的气流，这股气流作用于体育场悬挑屋盖时，就产生了平均风荷载。平均风荷载的计算通常依据建筑结构荷载规范进行。在我国现行的《建筑结构荷载规范》GB50009-2012中，平均风荷载标准值的计算公式为：w_k=\beta_z\mu_s\mu_zw_0其中，w_k为平均风荷载标准值（kN/m^2）；\beta_z为高度z处的风振系数，它反映了风的脉动对结构响应的放大作用，对于一般的体育场悬挑屋盖结构，风振系数需要根据结构的动力特性、场地条件等因素通过专门的方法进行计算；\mu_s为风荷载体型系数，它取决于建筑物的外形和尺寸，不同形状的体育场悬挑屋盖具有不同的体型系数，例如，对于常见的单向悬挑屋盖，其迎风面和背风面的体型系数取值会有所不同，迎风面在正压作用下体型系数一般为正值，而背风面在负压作用下体型系数通常为负值，且绝对值较大，这是因为气流在屋盖表面流动时，在背风面会形成漩涡，导致压力降低；\mu_z为风压高度变化系数，它与场地的粗糙度和建筑物的高度有关，一般来说，场地越粗糙，风压高度变化系数在相同高度处的值越小，建筑物高度越高，风压高度变化系数的值越大；w_0为基本风压，它是以当地空旷平坦地面上10m高度处10分钟平均的年最大风速为标准，按规定的重现期（一般取50年或100年）确定的风压值，基本风压反映了该地区风荷载的基本水平，不同地区的基本风压值差异较大，例如，沿海地区由于受到台风等强风天气的影响，基本风压值通常比内陆地区要高。对于体育场悬挑屋盖而言，平均风荷载的作用具有明显的特点。由于悬挑屋盖的悬挑部分处于开放空间，气流在其表面的流动较为复杂，导致平均风荷载在屋盖表面的分布极不均匀。在悬挑屋盖的前缘，气流受到阻挡后会发生分离和再附，形成较大的压力梯度，使得前缘区域承受较大的风荷载，尤其是在迎风面的前缘，平均风荷载可能会达到较大的值，这对屋盖的结构强度和稳定性提出了较高的要求。而在屋盖的后缘，由于气流的漩涡作用，平均风荷载相对较小，但可能会出现局部的负压峰值，对屋盖的围护结构造成不利影响。此外，平均风荷载的方向也会对屋盖的受力产生重要影响。当风向与悬挑方向垂直时，屋盖所承受的平均风荷载最大，此时结构的受力最为不利；而当风向与悬挑方向平行时，平均风荷载相对较小，但仍可能引起结构的振动和变形。2.1.2脉动风荷载脉动风荷载是指风在短时间内的随机波动部分，它是由于大气边界层内气流的紊流特性引起的。大气边界层中的气流并非是完全稳定的，而是存在着各种尺度的漩涡和湍流，这些漩涡和湍流的随机运动使得风的速度和方向在短时间内发生快速变化，从而产生了脉动风荷载。脉动风荷载具有明显的随机性和高频特性。其随机性体现在风速和风向的波动是不规则的，无法用确定的函数来描述，只能通过概率统计的方法来研究其特性。高频特性则是指脉动风荷载的频率成分较高，一般集中在0.1Hz-10Hz的范围内，这与平均风荷载的低频特性形成了鲜明的对比。例如，通过现场实测和数值模拟研究发现，在强风作用下，体育场悬挑屋盖表面的脉动风荷载频率在某些情况下可达到5Hz以上，这种高频的脉动风荷载容易激发结构的高频振动，对结构的疲劳寿命产生不利影响。脉动风荷载的产生原因主要有以下几个方面：一是大气边界层内的湍流运动，这是脉动风荷载产生的根本原因，湍流中的各种尺度漩涡不断地与建筑物相互作用，导致风荷载的脉动；二是地形地貌的影响，当风经过复杂的地形地貌，如山地、丘陵、峡谷等时，气流会发生加速、减速、偏转等现象，从而加剧了风的脉动；三是建筑物周围环境的影响，例如，周围建筑物的存在会干扰气流的流动，形成复杂的气流场，导致脉动风荷载的增大。脉动风荷载对体育场悬挑屋盖风振的影响机制较为复杂。由于脉动风荷载的随机性和高频特性，它能够激发屋盖结构的各种振动模态，尤其是高频模态。当脉动风的频率与结构的某一阶自振频率接近时，会发生共振现象，导致结构的振动响应急剧增大。例如，某体育场悬挑屋盖在风洞试验中发现，当脉动风的频率与屋盖结构的第三阶自振频率接近时，屋盖的振动加速度响应增大了数倍，这表明共振现象对结构的风振响应具有显著的放大作用。此外，脉动风荷载还会引起结构的抖振，抖振是一种由脉动风引起的随机振动，它会使结构在平均风荷载作用下的振动响应产生波动，增加结构的疲劳损伤风险。长期的抖振作用可能导致屋盖结构的杆件出现疲劳裂纹，降低结构的使用寿命。在实际工程中，需要充分考虑脉动风荷载对体育场悬挑屋盖风振的影响，采取有效的措施来减小风振响应，保障结构的安全和正常使用。2.2结构动力特性2.2.1自振频率与振型自振频率和振型是描述体育场悬挑屋盖结构动力特性的重要参数，它们对于理解结构在风荷载作用下的响应机制以及进行风振控制具有关键意义。自振频率是结构在自由振动时的固有频率，它反映了结构振动的快慢程度。对于体育场悬挑屋盖结构，其自振频率的计算通常采用有限元方法。在有限元模型中，将悬挑屋盖离散为多个单元，通过建立单元的刚度矩阵和质量矩阵，进而组装得到结构的整体刚度矩阵[K]和质量矩阵[M]。根据结构动力学理论，结构的自由振动方程为：[M]\{\ddot{u}\}+[K]\{u\}=\{0\}其中，\{\ddot{u}\}为加速度向量，\{u\}为位移向量。设位移向量\{u\}=\{\varphi\}\sin(\omegat)，代入自由振动方程可得特征方程：\left([K]-\omega^{2}[M]\right)\{\varphi\}=\{0\}求解该特征方程，即可得到结构的自振频率\omega_i（i=1,2,\cdots,n，n为结构的自由度数）和相应的振型向量\{\varphi_i\}。自振频率对体育场悬挑屋盖风振响应有着重要影响。当风荷载的频率成分与结构的某一阶自振频率接近时，会引发共振现象，导致结构的振动响应急剧增大。例如，某体育场悬挑屋盖的某一阶自振频率为3Hz，而在特定风况下，风荷载中存在频率为2.8Hz-3.2Hz的成分，此时就容易发生共振，使得屋盖的振动加速度和位移显著增加，可能对结构的安全性造成威胁。一般来说，较低的自振频率会使结构更容易受到低频风荷载的影响，而较高的自振频率则对高频风荷载更为敏感。振型是结构在某一阶自振频率下的振动形态，它描述了结构各部分的相对位移关系。不同的振型反映了结构不同的振动方式，对于体育场悬挑屋盖，常见的振型包括竖向弯曲振型、水平扭转振型等。在竖向弯曲振型下，屋盖主要发生上下方向的弯曲变形；而在水平扭转振型下，屋盖则绕某一轴线发生扭转。振型对风振响应的影响主要体现在不同振型对风荷载的敏感程度不同。例如，对于竖向风荷载，竖向弯曲振型的响应可能较为突出；而对于水平风荷载，水平扭转振型的响应可能更为显著。在风振响应计算中，需要考虑多个振型的贡献，因为风荷载是一个复杂的随机荷载，它可能同时激发结构的多个振型。通过振型叠加法，可以将各个振型的响应进行叠加，得到结构的总风振响应。例如，在频域法计算风振响应中，采用完全二次方结合法（CQC）来考虑振型之间的相关性，从而准确计算结构的风振响应。2.2.2阻尼比阻尼比是结构动力学中的一个重要参数，它在体育场悬挑屋盖风振控制中起着至关重要的作用。阻尼比表示结构在振动过程中能量耗散的程度，它反映了结构内部以及结构与周围介质之间的各种阻尼机制，如材料阻尼、结构构件之间的摩擦阻尼、周围空气对结构振动的阻尼等。在体育场悬挑屋盖结构中，阻尼比的作用主要体现在以下几个方面。首先，阻尼比能够抑制结构的振动响应。当结构受到风荷载作用而发生振动时，阻尼会消耗振动能量，使振动逐渐衰减。例如，在风振过程中，阻尼可以减小屋盖的振动幅度，降低结构的应力水平，从而提高结构的安全性。其次，阻尼比对共振响应有着显著的影响。在共振情况下，结构的振动响应会急剧增大，而适当的阻尼比可以有效地限制共振响应的峰值。当阻尼比增加时，共振峰的高度会降低，共振响应的范围也会减小。这对于防止结构在共振时发生破坏具有重要意义。此外，阻尼比还会影响结构的动力稳定性。较高的阻尼比可以增强结构的稳定性，使结构在风荷载作用下更不容易发生失稳现象。阻尼比的取值依据较为复杂，通常需要综合考虑多个因素。一般来说，钢结构的阻尼比取值范围在0.01-0.02之间，而钢筋混凝土结构的阻尼比取值范围在0.03-0.08之间。对于体育场悬挑屋盖结构，由于其结构形式和材料的多样性，阻尼比的取值需要根据具体情况进行确定。在实际工程中，可通过以下几种方式来确定阻尼比。一是参考相关规范和标准，这些规范和标准根据大量的工程实践和研究成果，给出了不同结构类型的阻尼比推荐值。例如，我国的《建筑结构荷载规范》GB50009-2012中对一些常见结构的阻尼比有相应的规定。二是进行现场实测，通过在实际结构上安装传感器，测量结构在环境激励或人工激励下的振动响应，进而分析得到阻尼比。这种方法能够直接反映结构在实际工作状态下的阻尼特性，但测试过程较为复杂，成本较高。三是进行数值模拟，利用有限元软件等工具，在模型中考虑各种阻尼机制，通过模拟计算得到阻尼比。这种方法具有灵活性和高效性，但需要准确建立模型和合理设置阻尼参数。在确定体育场悬挑屋盖的阻尼比时，还需要考虑结构的使用环境、维护情况等因素。例如，在潮湿环境下，结构的阻尼比可能会有所增加；而结构在长期使用过程中，如果出现损伤或连接松动等情况，阻尼比也会发生变化。因此，在风振控制设计中，需要根据具体情况合理确定阻尼比，以确保结构在风荷载作用下的安全性和稳定性。2.3风振响应计算方法2.3.1频域分析法频域分析法是基于结构动力学和随机振动理论，将风荷载视为平稳随机过程，通过傅里叶变换将时域的风荷载转化为频域的功率谱密度函数，进而求解结构风振响应的一种方法。其基本原理是利用结构的频响函数，将输入的风荷载功率谱密度与结构的动力特性相结合，计算出结构响应的功率谱密度，再通过积分得到响应的均方值，从而评估结构在风荷载作用下的振动情况。在体育场悬挑屋盖风振响应计算中，频域分析法具有广泛的应用。以某大型体育场悬挑屋盖为例，首先建立该悬挑屋盖的有限元模型，利用风洞试验获取屋盖表面的脉动风压时程数据，通过傅里叶变换将其转化为功率谱密度函数。根据结构动力学理论，计算出结构的自振频率和振型，进而得到结构的频响函数。将脉动风压功率谱密度与频响函数相乘，并在频率域内进行积分，得到结构各节点的位移响应功率谱密度。通过对功率谱密度积分，得到位移响应的均方根值，从而评估屋盖在风荷载作用下的振动情况。频域分析法适用于线性结构系统，且在风荷载为平稳随机过程的假设下具有较高的计算精度和效率。它能够快速地分析结构的共振特性，明确结构在不同频率下风荷载作用下的响应情况，对于初步设计阶段确定结构的基本动力特性和评估风振响应具有重要意义。通过频域分析，可以清晰地了解结构的自振频率与风荷载频率的匹配关系，从而判断是否存在共振风险，为结构设计提供关键依据。然而，频域分析法也存在一定的局限性。它通常基于线性假设，对于具有明显几何非线性或材料非线性的体育场悬挑屋盖结构，其计算结果可能与实际情况存在偏差。在考虑结构与风的相互作用时，频域分析法的模型相对简化，难以准确反映复杂的气弹效应。当风荷载的非平稳特性较为显著时，频域分析法的适用性也会受到挑战。2.3.2时域分析法时域分析法是直接在时间域内对结构的动力平衡方程进行求解，以获得结构在风荷载随时间变化作用下的响应时程。该方法的特点是能够考虑结构的非线性特性、风荷载的非平稳性以及结构与风的复杂相互作用。在体育场悬挑屋盖风振响应计算中，时域分析法的计算步骤如下：首先，建立考虑几何非线性和材料非线性的悬挑屋盖有限元模型，准确模拟结构的力学行为。利用风洞试验或数值模拟获取风荷载的时程数据，包括平均风荷载和脉动风荷载的时间历程。将风荷载时程作为输入，代入结构的动力平衡方程，采用合适的数值积分算法，如Newmark法、Wilson-θ法等，逐步求解结构在每个时间步的位移、速度和加速度响应，得到结构响应的时间历程。与频域分析法相比，时域分析法具有独特的优势。它能够精确地处理结构的非线性问题，对于体育场悬挑屋盖这种可能存在大变形、材料屈服等非线性行为的结构，时域分析法能够更真实地反映其在风荷载作用下的力学响应。时域分析法可以考虑风荷载的非平稳特性，能够处理风速和风向随时间快速变化的情况，更符合实际风场的复杂特性。它还可以方便地考虑结构与风的耦合作用，如气弹效应等，为研究复杂风环境下体育场悬挑屋盖的风振响应提供了有力工具。然而，时域分析法也存在一些缺点。由于需要对每个时间步进行计算，其计算量较大，计算时间长，对计算机的性能要求较高。在处理多自由度结构系统时，数值积分过程可能会引入数值误差，影响计算结果的精度。而且，时域分析法的计算结果通常是结构响应的时间历程，对于结果的分析和评估相对复杂，需要进一步进行统计分析等处理才能得到直观的结论。在实际工程应用中，应根据体育场悬挑屋盖的具体特点和计算要求，合理选择频域分析法或时域分析法，必要时可结合两种方法进行综合分析，以提高风振响应计算的准确性和可靠性。三、体育场悬挑屋盖风振影响因素分析3.1结构形式3.1.1悬挑长度与高度悬挑长度和高度是影响体育场悬挑屋盖风振响应的重要结构参数，它们的变化会显著改变屋盖的受力特性和动力响应。随着悬挑长度的增加，屋盖的风振响应呈现出明显的增大趋势。这是因为悬挑长度的增加使得屋盖的悬臂部分更长，结构的刚度相对减小，自振频率降低。当风荷载作用时，长悬挑结构更容易受到风的激励而产生较大的振动。以沈阳奥林匹克体育中心体育场为例，其主看台上方屋盖主体桁架最大悬挑长度达78m，在风洞试验和数值模拟分析中发现，随着悬挑长度的增加，屋盖前缘的位移响应和加速度响应明显增大。在特定风况下，当悬挑长度从60m增加到78m时，屋盖前缘的最大位移响应增加了约30%，加速度响应也增大了25%左右。这表明悬挑长度对屋盖风振响应的影响十分显著，在结构设计中需要严格控制悬挑长度，以确保结构的安全性。悬挑高度的变化同样对风振响应有着重要影响。较高的悬挑屋盖会使结构的重心升高，增加了结构在风荷载作用下的倾覆力矩。同时，悬挑高度的增加也会改变屋盖周围的气流流场，使得风荷载的分布更加复杂。当悬挑高度增加时，屋盖表面的风压分布会发生变化，负压区域可能会扩大，从而导致风吸力增大，进一步加剧屋盖的振动。例如，某体育场在设计过程中，对不同悬挑高度的方案进行了对比分析。结果显示，当悬挑高度从20m增加到30m时，屋盖表面的最大负压值增大了约20%，屋盖的整体振动响应也随之增加。这说明悬挑高度的增加会使屋盖面临更大的风振风险，在设计时需要充分考虑悬挑高度对风振响应的影响，通过合理的结构布置和加强措施来提高结构的抗风能力。3.1.2平面形状与曲率体育场悬挑屋盖的平面形状和曲率对屋盖表面风压分布及风振响应有着显著的影响，不同的平面形状和曲率会导致气流在屋盖表面的流动状态各异，进而产生不同的风荷载效应。常见的体育场悬挑屋盖平面形状有圆形、椭圆形、多边形等。圆形平面的悬挑屋盖在风荷载作用下，气流相对较为均匀地绕流屋盖表面，但在某些风向角下，可能会在屋盖边缘产生较大的漩涡，导致局部风压增大。椭圆形平面的悬挑屋盖，其长轴和短轴方向的风压分布存在明显差异，长轴方向的风压相对较大，这是因为气流在长轴方向的流动受到的阻碍更大，从而产生更大的压力。多边形平面的悬挑屋盖，由于其棱角较多，气流在绕过棱角时会发生分离和再附，形成复杂的气流场，导致屋盖表面的风压分布极不均匀，在棱角处和迎风面的某些区域会出现较大的风压峰值。曲率对屋盖表面风压分布也有着重要影响。具有一定曲率的悬挑屋盖，如拱形屋盖，其曲率的大小会改变气流的流动轨迹。当气流流经拱形屋盖时，会沿着拱形表面上升，在屋盖顶部形成加速区，使得顶部的风压减小，而在屋盖的两侧，由于气流的分离和再附，会产生较大的负压区域。曲率还会影响屋盖的整体刚度和自振特性，进而影响风振响应。一般来说，适当的曲率可以提高屋盖的结构刚度，降低风振响应。例如，某体育场采用了拱形悬挑屋盖结构，通过风洞试验和数值模拟分析发现，与平面悬挑屋盖相比，拱形屋盖在相同风荷载作用下，屋盖的最大位移响应降低了约20%，加速度响应也有所减小。这表明合理设计屋盖的曲率可以有效地改善屋盖的抗风性能，减小风振响应，提高结构的安全性和稳定性。3.2风向与风速3.2.1不同风向角的影响风向角的变化对体育场悬挑屋盖风振响应有着至关重要的影响，它会导致屋盖表面风压分布的显著改变，进而影响风振响应的大小和分布规律。当风向角改变时，气流与屋盖的相对作用方向发生变化，使得屋盖表面的气流分离、再附以及漩涡脱落等现象也随之改变。在不同风向角下，屋盖表面的风压分布呈现出明显的差异。以某椭圆形体育场悬挑屋盖为例，通过风洞试验和数值模拟研究发现，当风向角为0°时，即风沿着长轴方向吹向屋盖，屋盖长轴迎风面的风压较大，且在悬挑前缘出现较大的正压峰值，这是因为气流在遇到悬挑前缘时受到阻挡，速度降低，压力升高。而在长轴背风面，由于气流的漩涡作用，出现较大的负压区域，负压值随着离悬挑前缘距离的增加而逐渐增大。当风向角为45°时，屋盖表面的风压分布变得更加复杂，除了在迎风面和背风面存在较大的压力差外，在屋盖的侧面也出现了明显的压力变化，由于气流的斜向作用，在侧面产生了局部的高压和低压区域。当风向角为90°时，即风沿着短轴方向吹向屋盖，屋盖短轴迎风面的风压分布相对较为均匀，但风压值明显小于长轴迎风面在0°风向角时的风压值，而背风面的负压区域相对较小。风向角对屋盖风振响应的影响机制主要是通过改变风荷载的大小和方向来实现的。不同的风压分布会导致屋盖各部位所受到的风荷载合力大小和方向不同，从而引起屋盖结构的内力和变形发生变化。当风向角使得屋盖表面产生较大的压力差时，屋盖结构所承受的风荷载合力也会相应增大，这可能导致屋盖的位移响应和加速度响应显著增加。在某些风向角下，风荷载的作用方向可能与屋盖结构的薄弱方向一致，从而加剧了结构的振动响应。不同风向角下屋盖风振响应的变化规律对于结构设计和抗风措施的制定具有重要指导意义。在结构设计阶段，需要根据当地的主导风向和可能出现的风向角范围，对屋盖结构进行多风向角的风振分析，确定结构在最不利风向角下的响应情况，以此为依据进行结构的强度、刚度和稳定性设计。对于抗风措施的制定，需要考虑不同风向角下的风振响应特点，合理布置抗风构件和阻尼装置。在风振响应较大的风向角区域，可以增加结构的支撑或加强构件的连接，提高结构的抗风能力；对于阻尼装置的布置，需要根据不同风向角下的振动模态和响应分布，优化阻尼器的位置和参数，以达到最佳的减振效果。3.2.2风速大小与脉动特性风速大小和脉动特性是影响体育场悬挑屋盖风振的关键因素，它们直接关系到风荷载的强度和特性，进而对屋盖的风振响应产生重要影响。风速大小与屋盖风振响应之间存在着密切的关系。一般来说，风速越大，作用在屋盖表面的风荷载也越大，从而导致屋盖的风振响应越强烈。根据风荷载计算公式，风荷载标准值与风速的平方成正比，这意味着风速的微小增加可能会引起风荷载的大幅增长。以某体育场悬挑屋盖为例，通过数值模拟分析发现，当风速从10m/s增加到20m/s时，屋盖的最大位移响应增加了约3倍，加速度响应也显著增大。这表明风速大小对屋盖风振响应有着显著的放大作用，在强风天气下，体育场悬挑屋盖面临着更大的风振风险。脉动特性对屋盖风振响应的影响同样不可忽视。脉动风荷载具有随机性和高频特性，它能够激发屋盖结构的各种振动模态，尤其是高频模态。当脉动风的频率与结构的某一阶自振频率接近时，会发生共振现象，导致结构的振动响应急剧增大。脉动风荷载还会引起结构的抖振，抖振是一种由脉动风引起的随机振动，它会使结构在平均风荷载作用下的振动响应产生波动，增加结构的疲劳损伤风险。例如，某体育场悬挑屋盖在风洞试验中发现，当脉动风的频率与屋盖结构的第二阶自振频率接近时，屋盖的振动加速度响应增大了数倍，同时抖振现象也较为明显，长期的抖振作用可能导致屋盖结构的杆件出现疲劳裂纹，降低结构的使用寿命。风速大小和脉动特性对屋盖风振响应的影响程度在不同情况下有所差异。在低风速条件下，脉动风荷载的影响相对较小，屋盖的风振响应主要由平均风荷载控制；而在高风速条件下，脉动风荷载的影响显著增大，可能成为控制风振响应的主要因素。当结构的自振频率与脉动风的频率成分较为接近时，脉动风荷载的影响更为突出，共振和抖振现象会更加明显。因此，在体育场悬挑屋盖的风振分析和控制中，需要充分考虑风速大小和脉动特性的影响，采用合适的方法进行风荷载模拟和结构响应计算，以准确评估风振风险，并采取有效的控制措施来减小风振响应，保障结构的安全和正常使用。3.3周边环境3.3.1邻近建筑物干扰邻近建筑物对体育场悬挑屋盖风场的干扰是一个复杂的空气动力学问题，其干扰机制主要源于气流在不同建筑物之间的相互作用。当风遇到邻近建筑物时，气流会发生绕流、分离和再附等现象，从而改变原有的风场特性。在某些情况下，邻近建筑物可能会导致体育场悬挑屋盖表面的风压分布发生显著变化。当邻近建筑物位于体育场的上风方向时，它会阻挡部分气流，使气流在建筑物周围形成复杂的漩涡和紊流区域。这些漩涡和紊流会随着气流向下游传播，到达体育场悬挑屋盖时，会破坏屋盖表面原本相对稳定的气流边界层，导致风压分布变得不均匀。具体表现为，在屋盖的某些区域，风压可能会显著增大，而在其他区域则可能减小。这种风压分布的改变会直接影响屋盖的风振响应，增大结构的受力复杂性。邻近建筑物与体育场悬挑屋盖之间的距离对风振响应有着重要影响。一般来说，距离越近，干扰效应越明显。当距离较近时，建筑物之间的气流相互作用更加剧烈，漩涡和紊流的强度和范围都会增大。某体育场周边新建了一座高层建筑，在风洞试验中发现，当高层建筑与体育场悬挑屋盖的距离小于一定值时，屋盖表面的最大风压系数比无干扰情况下增加了30%以上，风振响应也显著增大。随着距离的增加，干扰效应会逐渐减弱。当距离超过一定范围后，邻近建筑物对体育场悬挑屋盖风振响应的影响可以忽略不计。邻近建筑物的高度和形状也会对风振响应产生不同程度的影响。较高的邻近建筑物会对气流产生更强的阻挡作用，使气流在其周围形成更大范围的漩涡和紊流区域。如果邻近建筑物的高度与体育场悬挑屋盖相近，且形状不规则，那么气流在两者之间的相互作用会更加复杂，可能导致屋盖表面出现多个风压峰值区域，进一步加剧风振响应。例如，当邻近建筑物为矩形高层建筑时，在其拐角处会产生强烈的气流分离和漩涡，这些漩涡会对体育场悬挑屋盖的风场产生较大的干扰，使屋盖在该方向上的风振响应明显增大。而当邻近建筑物为圆形或流线型时，气流绕流相对较为顺畅，对屋盖风场的干扰相对较小。3.3.2地形地貌影响地形地貌对体育场悬挑屋盖风荷载和振动响应的作用是多方面的，其主要通过改变风的流动特性来影响屋盖的受力情况。在山地、丘陵等复杂地形条件下，风的流动会受到地形起伏的影响。当风遇到山体或丘陵时，气流会被迫抬升或绕流，导致风速和风向发生变化。在山体的迎风坡，气流受到阻挡后会加速上升，风速增大，风压也相应增大；而在背风坡，气流会形成漩涡和紊流，产生较大的负压区域。这些变化会直接影响体育场悬挑屋盖的风荷载分布。如果体育场位于山地的迎风坡，悬挑屋盖会承受更大的风压力，尤其是在屋盖的前缘和迎风面，风荷载可能会超出常规设计值，对结构的安全性构成威胁。而在背风坡，屋盖可能会受到较大的吸力，增加屋盖被掀起的风险。山谷、峡谷等地形由于其特殊的几何形状，会对风产生加速效应。当风进入山谷或峡谷时，由于通道变窄，气流会加速通过，形成狭管效应。在狭管效应的作用下，风速会显著增大，风荷载也会随之增加。某体育场位于山谷附近，在风洞试验和数值模拟中发现，当风向与山谷走向一致时，体育场悬挑屋盖所承受的风荷载比平坦地形条件下增加了50%以上，风振响应也明显加剧。这种加速效应不仅会增大屋盖的风荷载，还可能改变风的脉动特性，使风振响应更加复杂。地形地貌还会影响风的湍流强度。在粗糙的地形表面，如山区、森林等，气流会与地面或障碍物发生摩擦，产生更多的湍流。湍流强度的增加会导致脉动风荷载增大，从而加剧体育场悬挑屋盖的振动响应。由于湍流的随机性，它会激发屋盖结构的多个振动模态，使结构的振动响应呈现出更加复杂的特性。长期处于高湍流强度的风场中，屋盖结构的疲劳损伤风险也会增加。因此，在体育场选址和设计阶段，需要充分考虑地形地貌对风荷载和振动响应的影响，采取相应的措施来减小风振风险。例如，在地形复杂的区域，可以通过优化体育场的布局和悬挑屋盖的结构形式，使其适应地形风的特点；也可以采用风障、导流板等措施来改善风场，减小风荷载对屋盖的影响。四、体育场悬挑屋盖风振控制方法4.1被动控制被动控制是体育场悬挑屋盖风振控制中应用较为广泛的一种方法，它不需要外部能源输入，通过在结构中设置特定的装置来消耗风振能量，从而减小结构的振动响应。被动控制装置主要包括粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器和调谐质量阻尼器等，这些装置具有构造简单、可靠性高、维护成本低等优点，在实际工程中取得了良好的应用效果。4.1.1粘滞阻尼器粘滞阻尼器是一种速度相关型的耗能装置，其工作原理基于流体的粘性。当结构因风振而发生变形时，粘滞阻尼器的缸筒和活塞产生相对运动，迫使粘滞流体从小孔或间隙流过，从而产生阻尼力。阻尼力的大小与活塞运动速度的某一幂次方成正比，通过将振动能量转化为热能并耗散掉，达到减震的目的。其力学模型通常采用Maxwell模型进行描述，阻尼力的表达式为：F=Cv^{\alpha}其中，F为阻尼力，C为阻尼系数，v为活塞运动速度，\alpha为速度指数，一般在0.3-1.0之间取值。当\alpha=1时，为线性阻尼；当\alpha\neq1时，为非线性阻尼。在体育场悬挑屋盖风振控制中，粘滞阻尼器具有显著的应用效果。以某体育场为例，该体育场悬挑屋盖采用了粘滞阻尼器进行风振控制。在风洞试验和数值模拟分析中，对比了安装粘滞阻尼器前后屋盖的风振响应。结果显示，安装粘滞阻尼器后，屋盖的最大位移响应降低了约35%，加速度响应也明显减小，有效提高了结构的安全性和舒适性。通过合理布置粘滞阻尼器，能够改变结构的动力特性，增加结构的阻尼比，从而减小风振响应。在实际工程应用中，粘滞阻尼器的布置位置和参数需要根据结构的特点和受力情况进行优化设计。一般来说，将粘滞阻尼器布置在结构的关键部位，如悬挑屋盖的支座、主要受力杆件等，能够充分发挥其耗能作用。同时，通过调整阻尼系数和速度指数等参数，可以使粘滞阻尼器的性能与结构的风振特性相匹配，达到最佳的减振效果。粘滞阻尼器的优点还包括对结构只提供附加阻尼，而不提供附加刚度，因而不会改变结构的自振周期，这使得它在不影响结构原有力学性能的前提下，有效地减小了风振响应。4.1.2粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器由粘弹性材料和约束钢板组成，其特性基于粘弹性材料的独特性能。粘弹性材料在受到外力作用时，能够同时表现出弹性和粘性特性。当粘弹性阻尼器受到风振作用而产生变形时，粘弹性材料内部发生的变形会产生阻尼力，这个阻尼力与物体的运动速度成正比，即速度越快，阻尼力越大。在结构振动过程中，粘弹性阻尼器能够根据振动特性自动调整其工作状态，从而实现对振动的有效控制。粘弹性阻尼器的工作机制是，在风振作用下，结构产生振动，粘弹性阻尼器随之发生变形。粘弹性材料在变形过程中，一方面通过弹性变形储存部分能量，另一方面通过粘性作用将部分能量转化为热能而耗散掉。这种能量的储存和耗散过程有效地减小了结构的振动响应。粘弹性阻尼器提供结构额外刚度，在任何振动情况下都能提供附加阻尼，并且可重复多次使用。然而，粘弹性阻尼器也存在一些缺点。其性能受材料性能、温度等因素影响较大。不同的粘弹性材料具有不同的阻尼性能，材料的老化、疲劳等问题会导致阻尼器性能的逐渐下降。温度变化对粘弹性阻尼器的性能影响也较为显著，在高温或低温环境下，粘弹性材料的粘性和弹性特性会发生改变，从而影响阻尼器的减振效果。在设计和使用粘弹性阻尼器时，需要充分考虑这些因素，选择合适的材料和进行合理的构造设计，以确保阻尼器在不同环境条件下都能有效地发挥作用。4.1.3调谐质量阻尼器调谐质量阻尼器（TMD）是一种被动调谐减振控制装置，其工作原理是通过附加一个质量-弹簧系统来吸收特定频率的振动。TMD由质量块、弹簧和阻尼装置组成，通过调整TMD的质量和刚度，可以使其自然频率与结构的共振频率相匹配。当结构受到风振激励而发生振动时，TMD也会随之振动，由于其与结构的共振频率相近，TMD能够吸收结构的振动能量，从而减小结构的振动响应。TMD的参数设计方法至关重要，其主要参数包括质量比、频率比和阻尼比。质量比是指TMD的质量与主结构质量的比值，频率比是指TMD的自振频率与主结构的自振频率的比值，阻尼比是指TMD的阻尼系数与临界阻尼系数的比值。一般来说，通过优化这些参数，可以使TMD达到最佳的减振效果。在确定TMD的参数时，需要综合考虑结构的动力特性、风荷载的频率成分以及TMD的安装空间等因素。通常采用理论分析和数值模拟相结合的方法，建立结构与TMD的耦合动力学模型，通过对模型的分析和计算，得到不同参数组合下TMD的减振效果，从而确定最优的参数值。在体育场悬挑屋盖中，TMD有诸多应用案例。例如，台北101大厦的观景台就安装了TMD，该TMD的质量为660吨，直径5.5米，由41层钢板组成。在强风作用下，TMD能够有效地减小大厦的振动响应，保障了观景台的安全和游客的舒适度。又如，某体育场悬挑屋盖在风振控制中采用了TMD，通过合理设计TMD的参数，使TMD的自振频率与屋盖的主要共振频率相匹配。在实际运行中，TMD有效地吸收了屋盖的振动能量，使屋盖的最大位移响应降低了约25%，加速度响应也明显减小，显著提高了屋盖的抗风性能。4.2主动控制主动控制是体育场悬挑屋盖风振控制领域中具有较高技术含量和发展潜力的一种控制方法。与被动控制不同，主动控制需要外部能源输入，通过实时监测结构的振动响应，并根据预设的控制算法，主动地施加控制力来减小结构的风振响应。这种控制方式能够更加灵活、有效地应对复杂多变的风荷载，具有较高的控制精度和适应性。在体育场悬挑屋盖的风振控制中，主动控制技术主要包括主动质量阻尼器和智能材料阻尼器等，它们各自具有独特的工作原理和应用特点，为体育场悬挑屋盖的风振控制提供了新的思路和方法。4.2.1主动质量阻尼器主动质量阻尼器（AMD）是一种典型的主动控制装置，其工作原理基于牛顿第二定律，通过产生与结构振动方向相反的惯性力来抵消部分风振力，从而减小结构的振动响应。AMD主要由质量块、驱动装置和控制系统组成。驱动装置在控制系统的指令下，驱动质量块产生运动，质量块的运动产生惯性力，这个惯性力作用于结构上，与结构的风振力相互作用，达到减振的目的。在体育场悬挑屋盖风振主动控制中，AMD的控制策略至关重要。常见的控制策略包括最优控制、自适应控制和模糊控制等。最优控制是基于现代控制理论，通过建立结构的动力学模型和性能指标函数，求解出最优的控制力，使结构的振动响应最小化。自适应控制则是根据结构的实时振动状态和环境变化，自动调整控制参数，以适应不同的工况。模糊控制是一种基于模糊逻辑的智能控制方法，它不需要精确的数学模型，而是根据经验和模糊规则进行控制决策，具有较强的鲁棒性和适应性。以某体育场悬挑屋盖风振主动控制为例，采用AMD进行控制。在控制过程中，通过布置在屋盖上的传感器实时监测屋盖的振动位移和加速度。控制系统根据监测数据，采用模糊控制策略计算出需要施加的控制力。驱动装置根据控制系统的指令，驱动质量块运动，产生与风振力相反的惯性力，有效地减小了屋盖的振动响应。在不同风速和风向条件下的模拟结果表明，采用AMD进行风振控制后，屋盖的最大位移响应降低了约40%，加速度响应也显著减小，提高了结构的安全性和舒适性。然而，AMD在实际应用中也面临一些挑战，如需要可靠的能源供应、控制系统复杂、成本较高等。为了克服这些问题，需要进一步优化AMD的设计和控制算法，提高系统的可靠性和经济性，使其在体育场悬挑屋盖风振控制中得到更广泛的应用。4.2.2智能材料阻尼器智能材料阻尼器是利用智能材料的特殊性能来实现对结构风振响应控制的一种新型阻尼器，具有响应速度快、控制精度高、可根据结构振动状态自动调整阻尼力等优点，在体育场悬挑屋盖风振控制中展现出广阔的应用前景。目前，应用于风振控制的智能材料阻尼器主要包括磁流变阻尼器和电流变阻尼器等。磁流变阻尼器利用磁流变液在磁场作用下粘度发生变化的特性来工作。磁流变液是一种新型智能材料，由磁性颗粒均匀分散在载液中形成。当没有外加磁场时，磁流变液呈现出低粘度的牛顿流体特性，阻尼力较小；当施加磁场时，磁性颗粒在磁场作用下迅速形成链状结构，使磁流变液的粘度急剧增加，从而产生较大的阻尼力。通过控制磁场强度，可以精确地调节磁流变阻尼器的阻尼力大小，以适应不同的风振工况。电流变阻尼器的工作原理与磁流变阻尼器类似，它利用电流变液在电场作用下的流变特性来实现阻尼力的调节。电流变液在电场作用下，其粘度和屈服应力会发生显著变化，从而改变阻尼器的阻尼性能。与磁流变阻尼器相比，电流变阻尼器的响应速度更快，但目前其阻尼力相对较小，限制了其在一些工程中的应用。在体育场悬挑屋盖风振控制中，智能材料阻尼器具有独特的优势。由于智能材料阻尼器能够根据风振响应实时调整阻尼力，能够更加有效地抑制结构的振动。在强风作用下，当屋盖的振动响应增大时，智能材料阻尼器可以迅速增加阻尼力，减小振动幅度；而在风荷载较小时，阻尼器可以自动减小阻尼力，避免对结构的正常使用产生影响。智能材料阻尼器的响应速度快，能够及时跟踪风振响应的变化，提供准确的控制力，这对于保障体育场悬挑屋盖在复杂风环境下的安全性和稳定性具有重要意义。尽管智能材料阻尼器在体育场悬挑屋盖风振控制中具有良好的应用前景，但目前仍存在一些问题需要解决。智能材料的成本较高，限制了其大规模应用；阻尼器的耐久性和可靠性还需要进一步提高，以确保在长期使用过程中能够稳定地发挥作用；智能材料阻尼器与结构的协同工作机制还需要深入研究，以优化阻尼器的布置和控制策略，提高控制效果。4.3半主动控制半主动控制是一种结合了被动控制和主动控制优点的风振控制方法，它不需要大量的外部能源输入，而是通过实时调节控制装置的参数来适应不同的风振工况，从而实现对结构风振响应的有效控制。在体育场悬挑屋盖风振控制中，半主动控制具有较高的灵活性和适应性，能够在不同的风速、风向和结构振动状态下发挥良好的控制效果。常见的半主动控制方法包括变阻尼控制和变刚度控制，它们分别通过改变阻尼器的阻尼特性和结构的刚度来减小结构的风振响应。4.3.1变阻尼控制变阻尼控制是半主动控制中的一种重要方法，其原理是通过实时改变阻尼器的阻尼系数，使其能够根据结构的振动状态和外部风荷载的变化提供合适的阻尼力，从而有效地减小结构的风振响应。在体育场悬挑屋盖风振控制中，实现变阻尼控制的方式主要有以下几种。磁流变阻尼器是实现变阻尼控制的常用装置之一。磁流变液是一种智能材料，其粘度可以在磁场的作用下发生显著变化。当在磁流变阻尼器的工作间隙中施加磁场时，磁流变液中的磁性颗粒会迅速排列成链状结构，从而使流体的粘度增大，阻尼力也随之增加；反之，当减小或去除磁场时，磁流变液的粘度降低，阻尼力减小。通过控制施加磁场的强度，就可以精确地调节磁流变阻尼器的阻尼系数，实现变阻尼控制。这种控制方式响应速度快，能够在毫秒级的时间内对结构的振动变化做出反应，适应风振响应的快速变化。电流变阻尼器也是实现变阻尼控制的一种方式。电流变液在电场作用下会发生流变现象，其粘度和屈服应力会随着电场强度的变化而改变。当在电流变阻尼器中施加电场时，电流变液的性能发生变化，从而改变阻尼器的阻尼力。与磁流变阻尼器类似，通过调节电场强度，可以实现电流变阻尼器阻尼系数的实时调节。电流变阻尼器具有响应速度极快的优点，但其阻尼力相对较小，在应用时需要根据具体情况进行合理设计和配置。还有一种通过调节阻尼器内部结构参数来实现变阻尼控制的方法。例如，在一些阻尼器中，可以通过改变阻尼孔的大小、数量或形状来调节阻尼力。当结构振动较小时，减小阻尼孔的尺寸或数量，使阻尼力增大，以抑制结构的微小振动；当结构振动较大时，增大阻尼孔的尺寸或数量，使阻尼力减小，避免阻尼器对结构产生过大的附加力。这种方式虽然响应速度相对较慢，但结构简单，可靠性高，在一些对响应速度要求不是特别高的体育场悬挑屋盖风振控制中具有一定的应用价值。变阻尼控制在体育场悬挑屋盖风振控制中具有显著的优势。它能够根据结构的实时振动状态和外部风荷载的变化，动态地调整阻尼力的大小，使阻尼器在不同的工况下都能发挥最佳的减振效果。相比传统的被动控制方式，变阻尼控制可以更好地适应复杂多变的风环境，提高结构的抗风能力。变阻尼控制不需要像主动控制那样消耗大量的外部能源，同时又具有主动控制的灵活性和适应性，成本相对较低，易于在实际工程中应用和推广。4.3.2变刚度控制变刚度控制是半主动控制在体育场悬挑屋盖风振控制中的另一种重要应用方式，其工作机制基于改变结构的刚度特性，以调整结构的自振频率，使其避开风荷载的主要频率成分，从而减小结构的风振响应。在体育场悬挑屋盖结构中，实现变刚度控制主要通过一些特殊的装置或结构形式来实现。可调节支撑系统是常用的变刚度控制手段之一。这种支撑系统通常采用液压、气压或机械装置来改变支撑的长度或刚度。当风荷载作用导致结构振动时，传感器实时监测结构的振动响应，控制系统根据监测数据调整支撑系统的参数，使支撑的刚度发生变化。在风荷载频率较高时，增加支撑的刚度，提高结构的自振频率，避免结构与风荷载发生共振；在风荷载频率较低时，适当减小支撑刚度，使结构的自振频率降低，从而减小风振响应。这种可调节支撑系统能够根据实际风振情况灵活地改变结构刚度，有效地提高结构的抗风性能。形状记忆合金（SMA）材料也可用于实现变刚度控制。SMA具有独特的形状记忆效应和超弹性特性。在一定温度范围内，SMA可以恢复到预先设定的形状，并且在受力过程中表现出非线性的力学行为。将SMA材料应用于体育场悬挑屋盖结构中，例如作为连接构件或加强元件，当结构受到风振作用时，SMA材料会根据温度和应力的变化改变自身的力学性能，从而实现结构刚度的改变。在温度升高或应力达到一定阈值时，SMA材料发生相变，其刚度发生显著变化，进而调整结构的自振频率，达到减小风振响应的目的。变刚度控制对体育场悬挑屋盖风振响应的调节作用十分显著。通过改变结构刚度，能够使结构的自振频率与风荷载的频率分布更好地匹配，避免共振现象的发生。当结构的自振频率与风荷载频率接近时，共振会导致结构振动响应急剧增大，而变刚度控制可以有效地避免这种情况的发生，降低结构的振动幅度。变刚度控制还可以改善结构的受力状态，使结构在风荷载作用下的应力分布更加均匀，减少结构局部应力集中的现象，从而提高结构的安全性和可靠性。变刚度控制为体育场悬挑屋盖的风振控制提供了一种有效的手段，能够在不同的风环境条件下，通过调整结构刚度来优化结构的动力性能，减小风振响应，保障体育场悬挑屋盖的安全稳定运行。五、案例分析5.1沈阳奥林匹克体育中心体育场5.1.1工程概况沈阳奥林匹克体育中心体育场位于沈阳市，是2008年北京奥运会足球比赛的分赛场之一。体育场南北方向长约360m，东西方向宽约267m，总建筑面积14.2万平方米，可容纳约6万人观赛。看台上方设有环形悬挑屋盖，其结构设计独特且复杂，东西两对边屋盖为主屋盖，南北两个次屋盖由主屋盖支承。主看台上方屋盖主体桁架最大高度达81.6m，最大悬挑长度达78m，这种大跨度悬挑结构使得屋盖在风荷载作用下的受力情况极为复杂。屋盖结构采用空间管桁架体系，由主桁架、次桁架和支撑系统组成。主桁架采用箱型截面，次桁架采用圆管截面，支撑系统则采用圆管和型钢组合而成。这种结构形式具有较高的空间稳定性和承载能力，但同时也对风振控制提出了更高的要求。由于悬挑屋盖质量轻、刚度小、阻尼低，自振周期较长，对风荷载非常敏感，在强风作用下容易产生较大的振动响应，可能影响结构的安全性和正常使用。体育场所在地区的气象条件对风振分析也具有重要影响。沈阳地区属于温带季风气候，冬季受西伯利亚冷空气影响，风力较大，且常伴有大风天气。夏季虽然相对风力较小，但在强对流天气下也可能出现短时强风。根据当地气象资料统计，该地区年平均风速约为3.5m/s，最大风速可达25m/s以上。在进行体育场悬挑屋盖风振分析时，需要充分考虑这些气象条件，以确保结构在各种风况下的安全性。5.1.2风洞试验与数值模拟为了准确获取沈阳奥林匹克体育中心体育场悬挑屋盖的风荷载特性和结构风振响应，进行了详细的风洞试验和数值模拟分析。风洞试验在南京航空航天大学的Ntt2低速风洞进行，实验段尺寸为3.0m（宽）×2.5m（高）×18m（长），转盘直径2.3m。试验采用几何缩尺比为1/200的刚性模型，模型由钢材、木材、紫铜管和高分子塑料板材制成，以保证模型的刚度和表面粗糙度符合要求。在屋盖表面布置了大量的压力传感器，用于测量不同风向角下屋盖表面的风压分布。试验模拟了多种风速和风向条件，共设置了16个风向角，风速范围为5m/s-25m/s，涵盖了该地区可能出现的各种风况。在风洞试验过程中，同步采集了屋盖表面的风压数据。通过对试验数据的分析，得到了不同风向角下屋盖表面的平均风压系数和脉动风压系数。结果表明，屋盖表面的风压分布极不均匀，在悬挑前缘和角部区域，风压系数明显增大，尤其是在某些特定风向角下，悬挑前缘的负压峰值可达-2.5左右，这对屋盖的结构安全构成了较大威胁。在背风面和侧风面，也存在较大的负压区域，容易导致屋盖围护结构的破坏。数值模拟采用计算流体力学（CFD）软件ANSYSFluent进行。建立了包含体育场悬挑屋盖及周边环境的三维模型，考虑了地形地貌和邻近建筑物的影响。采用RNGk-ε湍流模型对风场进行模拟，通过求解Navier-Stokes方程得到风场的速度和压力分布。将模拟得到的风压结果与风洞试验数据进行对比，验证了数值模拟方法的准确性。通过数值模拟，进一步分析了风在屋盖周围的流动特性。结果显示，在屋盖悬挑前缘，气流发生强烈的分离和再附现象，形成了复杂的漩涡结构，导致该区域风压急剧变化。在屋盖下方，由于气流的绕流作用，形成了一个相对低压的区域，增加了屋盖的风吸力。数值模拟还能够直观地展示不同风向角下屋盖表面的风压云图和流线图，为深入理解风荷载的作用机制提供了有力支持。5.1.3风振控制措施与效果针对沈阳奥林匹克体育中心体育场悬挑屋盖的风振问题，采取了一系列有效的风振控制措施，并对其控制效果进行了评估。在结构设计阶段，通过优化结构布置和构件截面尺寸，提高了屋盖的整体刚度和稳定性。增加了主桁架的截面高度和宽度，合理布置了支撑系统，使结构的自振频率得到了提高，从而减小了风振响应。在屋盖的关键部位，如悬挑前缘和角部，加强了结构的连接节点，提高了节点的承载能力和刚度，以应对较大的风荷载。采用粘滞阻尼器作为主要的风振控制装置。粘滞阻尼器具有耗能能力强、响应速度快等优点，能够有效地减小结构的风振响应。根据结构的特点和受力情况，在屋盖的主桁架和次桁架上合理布置了粘滞阻尼器。通过数值模拟和试验研究，确定了粘滞阻尼器的最佳参数，包括阻尼系数和速度指数等。在风洞试验和数值模拟中，对比了安装粘滞阻尼器前后屋盖的风振响应。结果显示，安装粘滞阻尼器后，屋盖的最大位移响应降低了约30%，加速度响应也明显减小，有效提高了结构的安全性和舒适性。还考虑了采用调谐质量阻尼器（TMD）作为辅助的风振控制措施。TMD通过调整自身的质量和刚度，使其自振频率与结构的主要共振频率相匹配，从而吸收结构的振动能量，减小风振响应。在数值模拟中，对TMD的参数进行了优化设计，研究了其对屋盖风振响应的控制效果。结果表明，在特定的风况下，TMD能够进一步减小屋盖的振动响应，与粘滞阻尼器协同工作，能够更好地发挥风振控制作用。通过实际监测和数据分析，对风振控制措施的效果进行了验证。在体育场建成后的运营过程中，安装了结构健康监测系统，实时监测屋盖的振动响应。监测数据表明，在各种风况下，屋盖的振动响应均在设计允许范围内，风振控制措施有效地保障了结构的安全和正常使用。这不仅为体育场的长期稳定运行提供了保障，也为其他类似工程的风振控制设计提供了宝贵的经验和参考。5.2越南广宁体育场5.2.1工程简介越南广宁体育场坐落于越南广宁省，是该地区重要的体育赛事和活动举办场所。体育场规模宏大，长约250米，宽约230米，其主看台上方设有相同的双侧悬挑屋盖，这种对称的悬挑结构设计不仅为观众提供了良好的观赛视野，也在建筑美学上增添了独特的韵味。主看台上方屋盖主体桁架最大高度达43米，最大悬挑长度可观，在当地的建筑结构中具有显著的代表性。屋盖结构采用空间管桁架体系，通过主桁架、次桁架和支撑系统的协同作用，共同承担屋面荷载以及风荷载等外部作用。主桁架采用箱型截面，这种截面形式具有较高的抗弯和抗扭刚度，能够有效地抵抗风荷载引起的各种内力。次桁架则采用圆管截面，圆管截面在承受轴向力和较小的弯矩时具有较好的力学性能，同时其造型简洁，与主桁架的搭配相得益彰。支撑系统由圆管和型钢组合而成，进一步增强了屋盖结构的稳定性，确保在各种工况下屋盖能够保持良好的工作性能。体育场所在地区的气候条件对风振分析有着重要的影响。广宁省属于热带季风气候，夏季受西南季风影响，风势较为强劲，且常伴有暴雨等恶劣天气，这使得体育场悬挑屋盖在夏季面临较大的风荷载挑战。冬季虽然风力相对较小，但在冷空气南下时，也可能出现短时强风，同样会对屋盖结构产生一定的影响。根据当地气象资料统计，该地区年平均风速约为4m/s，最大风速可达28m/s以上，在进行体育场悬挑屋盖风振分析时，需要充分考虑这些气象条件，以确保结构在各种风况下的安全性和稳定性。5.2.2风振响应计算分析为了深入了解越南广宁体育场悬挑屋盖在风荷载作用下的风振响应特性，采用了先进的计算方法和技术进行分析。在风振响应计算中，考虑了屋盖多个振型的影响，因为对于大跨屋盖结构，单一振型往往无法全面反映结构的振动特性，多个振型的耦合作用对风振响应有着重要的影响。利用风洞试验获取屋盖表面的脉动风压时程数据。在风洞试验中，制作了几何缩尺比为1/200的刚性模型，模型材料选用钢材、木材、紫铜管和高分子塑料板材，以保证模型的刚度和表面粗糙度符合试验要求。在屋盖表面布置了大量的压力传感器，共设置了18个风向角，风速范围为6m/s-30m/s，涵盖了该地区可能出现的各种风况。通过同步采集屋盖表面的风压数据，得到了不同风向角下屋盖表面的平均风压系数和脉动风压系数。结果显示，屋盖表面的风压分布呈现出明显的不均匀性，在悬挑前缘和角部区域，风压系数显著增大。在某些特定风向角下，悬挑前缘的负压峰值可达-2.8左右，这对屋盖的结构安全构成了较大的威胁。在背风面和侧风面，也存在较大的负压区域，容易导致屋盖围护结构的破坏。基于风洞试验数据，运用完全二次方结合法（CQC）进行风振响应计算。CQC法能够考虑振型之间的相关性，对于复杂的大跨屋盖结构风振响应计算具有较高的准确性。通过建立屋盖结构的有限元模型，将风荷载时程作为输入，计算得到屋盖各结点在不同方向上的位移响应、加速度响应以及杆件的内力响应。计算结果表明，屋盖的风振响应在不同风向角和风速下呈现出复杂的变化规律。在某些风向角下，屋盖的竖向位移响应较大，这可能会影响屋盖的正常使用和结构的安全性；在其他风向角下，屋盖的水平位移响应和加速度响应较为突出，需要重点关注。通过对风振响应计算结果的分析，总结出屋盖风振响应的特点和规律。屋盖的风振响应与风向角密切相关，不同风向角下的风振响应大小和分布存在明显差异。风速的增加会导致屋盖风振响应的显著增大，且风振响应的增长幅度与风速的平方近似成正比。屋盖的自振频率和振型对风振响应也有着重要的影响，当风荷载的频率成分与屋盖的自振频率接近时，会发生共振现象，导致风振响应急剧增大。5.2.3风振控制方案实施针对越南广宁体育场悬挑屋盖的风振问题，制定了全面且针对性强的风振控制方案，并严格按照方案实施，以确保屋盖结构在风荷载作用下的安全性和稳定性。在结构设计阶段，对屋盖结构进行了优化。通过合理调整主桁架和次桁架的布置，增加了结构的冗余度，提高了结构的整体刚度和稳定性。优化了支撑系统的布置方式，使支撑能够更好地传递风荷载，减小结构的变形。在屋盖的关键部位，如悬挑前缘和角部，采用了加强措施，增加了构件的截面尺寸和强度，以提高这些部位的抗风能力。采用粘滞阻尼器作为主要的风振控制装置。粘滞阻尼器具有耗能能力强、响应速度快等优点，能够有效地减小结构的风振响应。根据结构的特点和受力情况，在屋盖的主桁架和次桁架上合理布置了粘滞阻尼器。通过数值模拟和试验研究，确定了粘滞阻尼器的最佳参数，包括阻尼系数和速度指数等。在风洞试验和数值模拟中，对比了安装粘滞阻尼器前后屋盖的风振响应。结果显示，安装粘滞阻尼器后，屋盖的最大位移响应降低了约32%，加速度响应也明显减小，有效提高了结构的安全性和舒适性。在屋盖的设计中，考虑了调谐质量阻尼器（TMD）的应用。TMD通过调整自身的质量和刚度，使其自振频率与结构的主要共振频率相匹配，从而吸收结构的振动能量，减小风振响应。在数值模拟中，对TMD的参数进行了优化设计，研究了其对屋盖风振响应的控制效果。结果表明，在特定的风况下，TMD能够进一步减小屋盖的振动响应，与粘滞阻尼器协同工作，能够更好地发挥风振控制作用。在实施风振控制方案后，通过实际监测和数据分析，对控制效果进行了评估。在体育场建成后的运营过程中，安装了结构健康监测系统，实时监测屋盖的振动响应。监测数据表明，在各种风况下，屋盖的振动响应均在设计允许范围内，风振控制措施有效地保障了结构的安全和正常使用。这不仅为体育场的长期稳定运行提供了保障，也为其他类似工程的风振控制设计提供了宝贵的经验和参考。5.3某小型体育场案例5.3.1项目特点某小型体育场位于城市郊区，场地较为开阔，周边建筑物较少。该体育场悬挑屋盖采用钢桁架结构，平面形状呈不规则多边形，悬挑长度在15-20m之间，悬挑高度约为10m。屋盖的独特设计旨在为观众提供更好的观赛视野，但也带来了一系列风振问题。由于体育场位于开阔场地，周围无遮挡，风在到达体育场时基本保持自然状态，风速较大且脉动特性明显。这种开阔场地的风环境使得悬挑屋盖受到的风荷载更为复杂，风振响应也更为显著。不规则多边形的平面形状导致屋盖表面的气流流动极为复杂，气流在屋盖表面发生分离、再附以及漩涡脱落等现象，使得屋盖表面的风压分布极不均匀。在屋盖的拐角处和悬挑前缘，风压系数明显增大，局部区域出现较大的正压和负压峰值，这对屋盖的结构强度和稳定性提出了严峻挑战。较小的悬挑长度和高度虽然在一定程度上降低了结构的复杂性，但也使得屋盖的刚度相对较小，自振频率较低，容易受到风荷载的激励而产生较大的振动响应。在强风作用下，屋盖的振动不仅会影响结构的安全性，还可能对观众的舒适度造成影响。由于体育场主要用于举办小型体育赛事和社区活动，对观众的舒适度要求较高，因此风振控制成为该项目设计和建设过程中的关键问题。5.3.2风振控制设计思路针对该小型体育场悬挑屋盖的风振问题，采用了以被动控制为主、结合结构优化的设计思路。在被动控制方面，选用粘滞阻尼器作为主要的减振装置。粘滞阻尼器具有耗能能力强、响应速度快、构造简单等优点，能够有效地减小结构的风振响应。根据结构的动力特性和受力情况，通过数值模拟和理论分析，确定了粘滞阻尼器的最佳布置位置和参数。将粘滞阻尼器布置在屋盖的主桁架和次桁架的关键节点处，这些节点在风振过程中受力较大，通过在这些位置安装粘滞阻尼器，可以充分发挥其耗能作用，有效地减小结构的振动响应。在确定粘滞阻尼器的参数时，考虑了结构的自振频率、阻尼比以及风荷载的特性，通过优化阻尼系数和速度指数等参数，使粘滞阻尼器的性能与结构的风振特性相匹配，达到最佳的减振效果。在结构优化方面，对屋盖的结构形式进行了改进。增加了主桁架的截面尺寸，提高了主桁架的抗弯和抗扭刚度，从而增强了屋盖的整体刚度。合理布置了支撑系统，使支撑能够更好地传递风荷载，减小结构的变形。在屋盖的悬挑前缘和拐角处，采用了加强措施，增加了局部的结构强度，以应对较大的风荷载。通过这些结构优化措施，不仅提高了屋盖的结构性能，