膜结构因其轻柔特性,在风荷载作用下会产生较大的变形和振动,这种变形和振动反过来又影响到结构周围的流场,形成所谓的“流固耦合效应”。特定条件下,流固耦合效应会导致结构振幅随风速增加急剧增大,产生类似桥梁和机翼的气弹失稳现象。由于气弹失稳对结构抗风安全威胁很大,因而对其作用机理的研究一直是结构风工程领域的重要课题之一。但这方面的工作以往多集中于桥梁结构,对膜结构的研究很少。其中的一个重要原因在于,膜结构的动力特性十分复杂,难以像桥梁那样简化为仅具有平动和转动自由度的节段模型。近年来,国内外大型膜结构在强风作用下的破坏事件时有发生,说明现阶段的膜结构抗风设计理论还存在一定的不足,需要进一步探索膜结构的风致动力灾变的机理,探讨气弹失稳发生的可能性及应对措施。基于上述背景,本文开展了系列膜结构气弹模型风洞试验研究,通过对结构多种响应特征参数随风速变化规律的探讨,明确了结构与风场间的相互作用机制,揭示了膜结构的气弹失稳机理,建立了考虑气弹失稳的膜结构抗风设计方法。本文主要工作包括如下几方面:1.建立了基于全荷载域和多响应特征的膜结构气弹失稳研究方法。鉴于膜结构风振响应具有几何非线性明显和多阶模态参振等特点,传统的结构气弹失稳研究方法不再适用,需建立适用于多自由度柔性体系的气弹失稳研究方法。为此,提出了基于全荷载域和多响应特征的膜结构气弹失稳综合研究方法。该方法是以气弹模型风洞试验为主,联合运用数值模拟和解析方法,从结构响应特征和流场变化规律两方面入手,通过考察不同风速(全荷载域)下结构响应与流场风速之间的相关性,以及结构振幅、主导振型和系统阻尼比等特征参数的变化规律,来揭示膜结构的气弹失稳机理。在建立总体研究框架的基础上,对若干关键技术问题,如模态识别方法、阻尼识别方法和基于动边界技术的CFD数值模拟方法等进行了探讨,并验证了其有效性。2.设计并完成了系列典型膜结构气弹模型风洞试验。气弹模型风洞试验一直是结构风工程领域的一个难题,尤其是膜结构的气弹模型风洞试验,如何选择合适的模型材料以及如何避免测量装置对风场和结构振动的干扰,都是需要解决的关键问题。基于对气弹模型相似理论、非接触测量技术和预张力施加方法等问题的探讨,设计并完成了开敞式单向张拉膜结构、封闭式单向张拉膜结构和鞍形张拉膜结构气弹模型风洞试验,获得了不同风速下的结构风振响应及其表面风场变化数据。通过对结构振幅和主导振型在不同风速下的变化规律分析,发现存在振幅急剧增大和主导振型跳跃等现象,初步判断该现象与结构气弹失稳有关。3.联合运用多种研究手段,揭示了膜结构的气弹失稳机理。通过对全荷载域下结构的位移响应和流场风速相关性分析,确定发生气弹失稳的风速区间;结合频谱分析进一步考察了结构位移主导频率与风速主导频率,发现气弹失稳时风速主导频率出现了类似涡激共振的锁定现象。为验证该现象,分别开展了考虑结构平均变形和受迫振动的CFD数值模拟研究,发现随着结构平衡构形的改变,结构表面的漩涡脱落频率也发生了变化,当其与结构某阶自振频率相接近时,就会引发结构的大幅振荡,而这种大幅振荡又反过来控制了漩涡脱落频率,从而出现锁定现象。此外,还分析了系统总阻尼比随风速的变化,发现其随风速增加呈现先增大后减小的特征,峰值点恰好对应出现气弹失稳时的前一个风速;该现象可解释为由于气动阻尼作用导致结构主导振型的阻尼比迅速增大,迫使结构跳跃到阻尼比较低的另一阶振型上振动,从而揭示了振型跳跃的内在原因。基于上述分析,可认为膜结构的气弹失稳是一种由旋涡脱落诱发的涡激共振现象,具有振幅突然增大、主导振型出现跳跃、总阻尼迅速衰减等特征。4.采用解析方法推导了膜结构的附加质量和气动阻尼计算公式。基于气动声学理论和拟静态理论,推导了均匀流中开敞式单向张拉膜结构的附加质量及气动阻尼解析公式。该方法将作用在膜面的风荷载简化为气动声压和拟静态风压两部分,前者由膜面振动对空气的挤压作用引起,与来流风速无关,可采用气动声学方法确定;后者与来流作用下膜面的拟静态风压有关,反映了膜面振动过程中形状变化对风荷载的影响,可通过对一个振动周期内不同时刻结构形状的风荷载CFD数值模拟来确定。与气弹模型风洞试验结果对比表明,附加质量解析公式的误差不超过9.0%,气动阻尼解析公式的误差也基本可以控制在20%以内。进一步分析表明:附加质量和气动阻尼均随着风速的增大而增大,附加质量可达结构质量的5倍左右,气动阻尼可达结构阻尼的10倍左右,因而在膜结构风振分析中附加气动力作用不可忽视。5.提出了考虑气弹失稳的膜结构抗风设计方法。在现有膜结构抗风设计流程的基础上,增加了临界风速判定和附加气动力评估环节,以考虑气弹失稳和流固耦合的影响。在此基础上,给出了气弹失稳临界风速的定义和一些典型工况下的取值建议,以及附加气动力的确定方法。此外,还结合气弹模型风洞试验结果探讨了预张力对结构临界风速的影响,提出通过改变预张力来改善结构气动稳定性的建议。