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张拉膜结构具有质量轻、柔性大的特点,对于风的作用十分敏感。风压是该类结构设计中的主要控制荷载。随着科技的进步、社会需求的提高,大跨度张拉膜结构建筑得到了极大的发展。由于大跨度张拉膜结构的风压特性复杂及其结构自身特性的复杂性,张拉膜结构的风致响应研究仍然在完善发展中。本文结合张拉膜结构表面风压的测量、膜结构的几何非线性、膜结构振动的气弹特性及其膜结构的等效线性化分析等方面问题,研究大跨度张拉膜结构的风致响应特性。
本文的主要工作包括以下几个方面:
1.大跨度张拉膜结构表面风压特性的研究。对常见的四类张拉膜结构的刚性模型进行风洞测压试验,对结构表面平均风压、脉动风压的等值线分布特性、等值线分布随风向角变化的规律、风压的自功率谱及其相干特性进行了详细分析,得到了张拉膜结构表面风压分布的特性。
2.张拉膜结构的非线性特性、气动特性参数分析。通过对方形平面张拉膜结构进行力学建模,获得离散的多自由度振动的显式控制方程组。分析了结构的弹性模量、密度、初始预张拉应变、结构边长及其结构的相对振幅对张拉膜结构自由振动特性的影响。获得了方形膜结构自由振动的气动参数,并讨论了张拉膜结构几何非线性特性与气动参数的相互关系。
3.张拉膜结构风致振动的等效线性化方法研究。采用谱矩阵法,构造了适合于张拉膜结构自身几何非线性特性及其风压特性的等效线性化方法,并编程实现了张拉膜结构等效线性化分析过程。主要解决了荷载的分解和膜结构的静力平衡计算;膜结构在静力平衡位置的模态分析;膜结构等效线性化及其等效线性化系统的风致响应分析,并与时域直接积分结果进行对比,验证了其适用性。
4.张拉膜结构的风致响应研究。结合等效线性化分析方法,详细讨论了张拉膜结构(鞍形膜结构、中心拱支承膜结构)在不同工况下的风致响应特性。讨论了平均风压作用下的静平衡状态对膜结构的膜面内应力的影响及其对脉动响应的影响。给出了膜结构的静位移响应和位移均方根响应分布特性、及其典型测点平均位移和均方根位移值随风向角的变化特性。对张拉膜结构的预张应力变化、膜材密度改变、等效线性化计算的参与模态数的改变、来流风速变化时其响应特性的变化规律及其荷载互谱对膜结构响应的影响作了详细的分析;对由于张拉膜结构振动引起的附加质量、气动阻尼这两个气动参数对结构响应的影响也作了具体参数分析。