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大跨度网壳结构因其突出优点而广泛应用于影剧院、展览馆、飞机库、航空港、体育场馆、车站、煤棚、仓库、工业厂房等建(构)筑物中,并且日趋多样化、大型化、复杂化。作用于此类结构上的风荷载具有随机性与空间相关性,常常起主要甚至是决定性作用,风振影响成为结构设计、防灾减灾分析的控制因素之一。迄今大跨度网壳结构的风工程研究只取得阶段性成果,研究仍然不够。风振响应和风振系数等关键问题尚未完全解决,甚至结构动力特性的研究亦不充分。网壳结构在风荷载作用下的动力响应特性研究越来越受到学术界和工程界的关注与重视。
本文主要针对大跨度单层网壳结构网格生成技术、风速风载模拟、风振时程分析、参数分析等方面进行了比较系统的研究。首先回顾了大跨度网壳结构风工程领域的研究现状,指出存在的主要问题,并提出本文的研究目标和工作重点。
在单层网壳结构的网格生成技术方面,基于形式代数法,针对单层球面网壳、单层柱面网壳、单层双曲抛物面网壳等结构型式,采用参数化建模方法建立模型。输入若干控制参数,可由程序自动生成包含模型节点、单元、边界约束条件等信息的数据文件,减少分析计算时数据输入工作,适用于同类结构的有限元前处理。
在风速与风荷载时程模拟方面,回顾了结构风工程领域风洞试验、现场实测、风速时程数值模拟技术等方面的进展情况。采用AR模型模拟风速时程,考虑了三维空间相关性,讨论了AR模型的稳定性及确定AR模型阶数的方法。风速时程模拟结果统计分析、功率谱分析表明模拟值与目标值吻合较好。根据风速特性,讨论了由风速时程转化为风荷载时程的方法。
在风振研究方面,回顾了结构风致振动研究的基本情况,分析了结构风振形式及其机理,讨论了作用于网壳结构的风荷载特点,阐述了结构风振响应计算方法。针对大跨度网壳结构,推导了结构计算模型,引入节点位移风振系数、单元内力风振系数等概念,采用Newmark时程分析法,研究其风振响应特性。采用VC与Matlab混合编程方式,较好地解决了风速时程模拟运算时精度、模拟速度和计算稳定性的问题。针对ANSYS软件编制了相应的程序接口,对一类K6-6型单层球面网壳结构进行了包括几何参数、结构参数、阻尼比参数、边界约束条件参数、平均风速参数、风向参数等多种工况的自振特性、风振特性参数影响分析,得出单层球面网壳结构在上述各种参数工况下的风振规律。
最后对全文的研究工作进行了总结,并指出部分有待于深入研究的问题。