强风作用下索膜结构风致动力响应分析.pdf

第七届全国现代结构工程学术研讨会强风作用下索膜结构风致动力响应分析殷志祥唐铭( 辽宁工程技术大学土木建筑工程学院辽宁阜新1 2 3 D O D )摘1 要：本文根据D 髓v 绷∞^ 谱模拟生成脉动风荷载，研究索膜结构在强风作用下的运动情况，分别从静力分析和动力时程分析不同角度论述索膜结构在强风作用下的响应机理本文以深圳大学体育场看台挑蓬膜结构为例，通过对结构进行瞬态动力时程响应分析，在强风作用下的结构初始阶段短时间内振动剧烈．为了增强结构稳定性采取加强索措施后．可明显限制结构位移变形，稳定结构速度、加速度曲线波动．本文对结构改进前后进行对比分析，可证明在结构强风抗风加固措施中．加强索措施可以得到良好效果美键词；索膜结构，强风潋励，静力响应分析，瞬态动力响应分折一、引言近年来，我国南方沿海一带城市频繁遭受强热带风暴影响，周围城市频繁遭遇台风袭击，城市建筑在强风作用下遭受某种程度破坏，而索膜结构具有质量轻、刚度小、跨度大等特点，属于风敏感性结构，在强风作用下结构发生较大变形，结构局部发生剧烈振动，严重时会造成上掀撕裂破坏和颤振失稳破坏，目前对于索膜结构在强风作用下的破坏机理、动力响应控制方法、结构设计方法的研究工作正成为热点问题。

本文针对强风作用特性，根据D a v e n p 嘣谱模拟生成强风脉动风荷载，对素膜结构进行瞬态动力时程响应分析，根据所得时程响应曲线做出分析．针对结构变形过大，振动剧烈破坏现象，采取抗风加固措施对原始结构进行改进，并对索膜结构改进前后对瞬态动力时程对比分析二、索膜结构静动力响应分析理论( 一) 静力响应分析风荷载是平稳随机过程，可处理为平均风和脉动风两部分平均风的作用性质相当于静力荷载，是结构整体破坏的主要因素；脉动风强度是随时间而变化的，其作用性质是动力的，是引起结构风振响应的主要因素研究索膜结构风振响应需从这两方面不同的作用机理分析结构动力响应索膜结构力学分析必须考虑几何非线性影响，由非线性有限元理论推导索膜结构静力平衡方程得“噼十k ∥F “仁u y “= ““U y ⋯一”“仉y o ( 1 )其中，眦p ：小晰叮【D I 的，如为线性刚度矩阵；k ，P = Ⅲ脑趔r b 如耀W 为非线性刚度矩阵；饥∥= Ⅲ嘶’b p ∥为节点不平衡力；k 妙j 、k 器J 分别为线性、非线性应变位移关系矩阵，b ∥为应力矩阵 二) 瞬态动力学响应分析瞬态动力学分析结构的运动特性，包括各种运动或爆破等问题的分析。

瞬态动力分析又称为时间历程分析，用来确定结构在随时间变化的费载作用下的动力响应，可以用它来分析随时间变化的位移、应变、应力以及外荷载随意组合所产生的结构响应工业建筑2 0 e 7 增书第七届全国现代结构工程学术研讨会瞬态动力学求解的基本运动方程肘撕+ C 吐+ 胁= ，“)( 2 )其中M 为质量矩阵；c 为阻尼矩阵；K 为刚度矩阵；越为节点加速度向量；西为节点速度向量；u 为节点位移向量；F ( t ) 为力向量和静力学分析方程不同的是，方程中多了质量矩阵和阻尼矩阵，并且引入了位移矢量微分项，对于任意时刻t ，方程组可以看作是添加惯性力和阻尼的静力学平衡方程A N s Y s 采用N e w ．m a r k 时间积分方法在离散的时间点和空间网格上求解方程组( 1 ) 瞬态动力学可采用完全法、缩减法、模态叠加法进行求解，本文采用完全法进行瞬态动力响应求解 三) 静力响应分析算倒以深圳大学体育场看台挑篷索膜结构为例，对伞形膜结构单元在Z 方向、—z 方向、—x 方向、Y 方向对膜面节点施加2 5 0 N ，m 至6 0 0 N ，m 2 的均布荷载( 相当于平均风荷载) ，为防止膜面节点位移过大，采取对结构增添加强索措施，并对结构改进前后进行对比分析。

．( a ) 原始结构( b ) 加强索改进结构( c ) 单元透视图图1 结构计算简图本例所施加荷载相当平均风风速为K = 2 0 肌，s ～K = 2 5 Ⅲ／J ( 相当于6 ～8 级强风) 的强风荷载在强风作用下的敞开式索膜结构会受到双向风作用而产生较大位移变形，采取加强索措施后，较明显限制了结构位移变形；水平位移比竖直位移要大，水平位移随荷载增加而增加缓慢，加强索对水平位移限制效果比较好；结构背风面受强风吸力作用，产生较大位移图2z 方向风荷载与位移关系／／一 ．／r一．—| p一——’／rl + 无J J Ⅱ劫女l —fr m 】dJ ％荷载( N ／m —z )囤3 —z 方向风荷载与位移关系圈4 —x 方向风荷载与位移关系图5 —x 方向风荷载一位移( 加索后)工业建筑2 0 0 7 增刊{ A 章第七届全国现代结构工程学术研讨会 鞲⋯：．? ? 厂／一／／r ，一} 一㈣自f 一”m “材载( N ／m ‘2 )图6Y 方向风荷栽一位移关系图7Y 方向风荷载一位移关系( 加索后)三、瞬态动力响应分析算例以深圳大学体育场看台挑篷索膜结构为例，对结构施加时程仁6 0 s ，时间步长△f = O ．1s ，平均风速一K = 2 5 耐s 脉动风荷载，进行结构瞬态动力响应分析，本例仅列出代表性节点时程曲线，并对时程曲线做均值统计分析。

吨6 2却·6 5童- 06 B啦_ 07 l耳- o7 4- o7 7- 0B_ o ’2 2- 02 43 - o2 6§二2 ：- o3 2_ 0 3 4( a ) 原始结构( b ) 改进结构图8 结构计算简图』1 ．．h．1 ．删1 I ¨一．1 ．，⋯m ^ n m I - j ． y ’，【盯I 州1 l P 州n ⋯⋯f hf u I”1y、J ’Ir加3 04 05 06 0时问( 5 )第2 1 0 节点u i 时程．I^ II4 n ^．、II ．Ak f ㈦，【^ H ㈨l ㈨R㈨^ Jl IⅣ1 J V‘州⋯¨瞩Ⅵ l ⋯’、y●Oi 02 03 04 05 0∞时蝌( s )图1 0 第1 3 5 节点u x 时程工业建筑2 0 0 7 增刊32i1；筒一】吨0906o03备叵朝_ 03_ 06_ 09O1 02 03 0如5 06 0时间( s )图1 2 第1 3 5 节点v x 时程1 0 1 5t 《犟∞魄XoVo点节∞川m时2第“图第七届全国现代结构T 程学术研讨会时阿( ，)- oH- 0 7 8童_ 0 啦 毒- o 轴掣一09_ 0 舯_ o ．∞图1 3 第2 1 0 节点A * 时程时问( i )图1 4 第1 3 5 节点A x 时程6—4 运。

毒譬一z - 4_ 62 51 5 裔 耋s簧一s 曩一1 s一2 5图1 6 第2 7 2 节点u z 时程时叫( s )图1 7 第8 2 节点A z 时程01 0∞∞4 05 0鲫口l ¨Z O3 U州§0叫时间( s )时间( 曲一图1 5 第8 2 节点u t 时程图1 8 ．弟2 7 2 节点A z 时程结构迎风面( 如8 2 节点) 受风压力影响，位移为正方向振动，背风面( 如2 1 0 节点) 受风吸力作用，位移呈负方向振动迎风面位移时程曲线振幅较大，背风面速度时程、加速度时程曲线振幅较大采取加强索措施使背风面( 1 3 5 点) 速度、加速度有明显减小，但使迎风面( 2 7 2 点) 节点速度、加速度却明显增大表l 节点位移、速度、加速度均值统计表四、结论在强风作用下，索膜结构会产生较大位移变形，结构振动速度、加速度剧烈，对结构应力产生较大影1 0 1 6工业建筑2 0 0 7 增刊目∞1√酵嘲写2l0Ol2a∞i一#S第七届全国现代结构工程学术研讨会响● ( 1 ) 在平均风作用下结构水平位移比竖直位移要大，水平位移随荷载增加而增加缓慢；( 2 ) 结构背风面受强风吸力作用，产生较大位移。

在脉动风作用下，迎风面位移时程曲线振幅较大，而背风面速度时程、加速度时程曲线振幅较大．( 3 ) 采取加强索措施后可明显限制结构位移变形，稳定结构速度、加速度振动，在结构强风抗风加固措施中．加强索措施可以得到较好效果 4 ) 从时程曲线可以看出，在强风作用下的结构初始短时间内振动剧烈，对结构影响不容忽视，为此需要进一步研究短时间内强风激励下的结构动力响应：参考文献【l 】武岳．沈世钊．索膜结构风振响应中的气弹耦合效应研究建筑钢结构进展．2 0 0 6 年4 月．第8 卷第2 期，3 0 0 6 页【2 】陆新征．叶列平，马千里．江见鲸．c F R P 索流同耦合风振研究第十二届全国结构风工程学术会议论文集．西安．2 0 0 5 年，6 9 —7 5页·【3 l 符龙彪，钱基宏．大跨度空间结构的风振响应计算分析建筑科学2 0 0 5 年2 月，第2 1 卷第l 期．4 9 —5 4 页1 4 】张华，单建廉膜结构的抖振动力特性研究，2 0 0 4 ，第2 l 卷，第3 期，6 l 捌页【5 1 陈波沈世钊．脊谷式张拉膜结构风振特性分折．空间结构2 0 0 4 ．3 ，第1 0 卷，第3 期．4 l 一5 页【6 】杨庆山薄膜结构与风环境的流固耦合作用．空间结构．2 0 0 3 ．3 ，第9 卷．第1 期，2 ∞2 4 页．【7 】陈新礼，沈世钊，向阳鞋形薄膜结构的风振响应分析及风振系数．天津城市建设学院学报，2 0 0 l9 第7 卷，第3 期1 5 9 —1 6 3 页1 8 】蒋新梅．深圳大学体育场膜结构及下部主体结构计算深圳大学学报( 理工版) 1 9 9 9 6 ，第1 6 卷，第l 期，4 5 —4 9 页【9 】杨庆山，王莉，王基磕．含孔洞封闭性薄膜结构的自振特性分析模型．空间结构．2 0 0 3 ．6 第9 卷第2 期4 4 —6 页【1 0 】李黎．附加阻尼法分析鞍形膜结构的风振响应．空间结构，第1 1 卷第1 期，2 0 0 5 年3 月．6 0 州页工业建筑2 0 0 7 增刊l O l 7。