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随着社会经济的发展,大跨度空间结构越来越广泛地应用到车站、会展中心以及体育馆等大型公共建筑当中。这种大跨度空间结构具有质量轻、柔性大、阻尼小的特点,致使风荷载成为其结构设计的主要控制荷载。结构的风荷载效应是影响结构安全性、舒适性和经济性的最主要因素之一,因此深入研究大跨度空间结构的风荷载分布和结构的风致振动特性,总结其共性的规律等问题是非常重要的。本文主要进行了以下几个方面的工作:
首先进行了大跨度屋盖结构的静力风荷载效应及静风稳定性分析。利用通用有限元分析软件,对新广州站主站房屋盖结构进行了初始分析,然后采用风洞试验数据,对其进行了详细的静力风荷载效应分析,并讨论了最不利风向角的确定方法。最后,重点研究了屋盖结构在静力风荷载作用下的稳定性,并讨论了弹性分析与弹塑性分析对屋盖结构静风极限承载力的影响。可以看出,通过分析结构在各个风向角下的静风效应来判断可能起控制作用的风向,虽然会增加工作量,但可以避免由主观判断带来的误差,从而保障后续的荷载分析更为有效。新广州站在15度风向角下的破坏主要出现在悬挑部分,其次是三向张弦梁部分。
然后进行了大跨度屋盖结构的风致振动特性研究。首先分析和对比了谐波叠加法和线性滤波法两种数值模拟风速时程的方法,并模拟出新广州站主站房结构的风速时程。然后研究了新广州站主站房结构的风致振动响应。最后,探讨了结构的位移风振系数和内力风振系数。可以看出,线性滤波法完全满足工程要求,是模拟风速时程的首选方法。同时,本文建议对于大跨屋盖结构的风振计算,直接用结构响应的峰值乘以保证因子,然后用此值直接用于结构设计。
最后进行了考虑流固耦合效应的风振响应分析。首先推导了考虑流固耦合效应的风荷载计算公式,然后对主站房东入口处进行了考虑流固耦合效应的风振响应分析,主要研究东入口处挑檐部分的风振响应。可以看出,考虑流固耦合效应后,结构响应瞬时值变化较大,如果仅以响应均方根值为设计依据,很有可能出现不安全的情况。