开孔结构风致内压及其与柔性屋盖的耦合作用

论文摘要

国内外风灾调查研究表明,低层房屋及大跨度柔性屋盖的风致破坏在很大程度上是由内外压共同作用引起的,部分敞开或突然开孔导致的内压增大对建筑物的安全产生了严重的威胁,然而人们对内压产生机理的研究尚处于摸索阶段,而结构设计人员对内压的取值更是无所适从,可见内压问题的研究是现代风工程领域新兴的课题,深入探讨开孔结构风致内压及其与大跨柔性屋盖的共同作用具有极其重要的学术研究意义和工程应用价值。本文采用理论分析和风洞模型试验相结合的方法,对风致内压响应的机理、风致内压与大跨柔性屋盖的耦合振动特性、内外压共同作用下屋盖风致响应的求解方法等关键问题进行了系统研究。 在理论分析方面,首先提出了紊流风场中孔口阻尼的迭代计算方法并分析了孔口阻尼特性,从理论上找到了孔口等效阻尼比的影响因素;发展了迎风面任意开孔时内压脉动的频域分析法,重新定义了开孔率的概念,并以开孔率来评价开孔结构内压脉动,取得了良好的效果;推导了考虑背景孔隙的内压传递方程,从理论上解释了背景孔隙的附加阻尼效应,并得出了相关的量化指标;考虑风致内压影响推出了名义封闭屋盖结构主振模态的三阶动力微分方程,改进了迎风面单一开孔结构屋盖-内压的耦合振动方程组并给出了频响函数矩阵,对风致内压和大跨柔性屋盖耦合振动的频率特性和阻尼特性进行了深入分析;最后利用耦合振动理论推导了内外压共同作用下屋盖风致响应的模态分析理论。 在试验研究方面,在国内首次针对低层房屋设计了具有不同开孔面积、开孔数量、开孔位置及不同内部容积的刚性模型进行风洞试验,研究了内压的空间分布规律、平均内压与脉动内压的产生机理与理论估算问题、峰值内压的取值规律以及内外压的相关性问题,全面地阐述了开孔结构内部风荷载的特性;在国际上首次采用索膜结构体系设计制作了可调刚度的屋盖结构并进行多种墙面开孔工况的气弹模型风洞试验,研究了屋盖风致响应随各种因素的变化规律,并对开孔结构屋盖频率特性和阻尼特性进行了深入分析,试验与理论结果吻合较好。 最后,本文还针对风致内压相关问题的风洞模型试验相似性模拟展开讨论,通过理论分析得到了气承刚度与孔口阻尼相似性模拟的附加准则,并给出了工程应用中的处理方法及建议;借鉴国内外风荷载规范对结构风致内压的处理方法并结合本文的研究成果提出了一套考虑风致内压的结构设计合理化建议。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 本课题相关的基本概念
• 1.1.1 大气边界层风场特性
• 1.1.2 风致结构内压的初步认识
• 1.1.3 三大基本方程
• 1.2 开孔结构风致内压的研究现状
• 1.2.1 结构突然开孔时内压瞬态响应的研究现状
• 1.2.2 结构存在开孔时内压稳态响应的研究现状
• 1.2.3 风致结构内压与屋盖耦合效应的研究现状
• 1.2.4 内压传递方程的发展现状
• 1.2.5 开孔结构内部风效应的研究现状
• 1.2.6 存在的问题
• 1.3 本文的研究背景及主要内容
• 1.3.1 本文的研究背景
• 1.3.2 本文的主要工作
• 1.3.3 本文的布局
• 第二章 开孔结构风致内压响应研究
• 2.1 紊流风场中开孔结构的孔口阻尼特性
• 2.1.1 内压传递方程
• 2.1.2 孔口非线性阻尼的线性化方法
• 2.1.3 孔口等效阻尼比的理论分析
• 2.1.4 数值算例分析
• 2.1.5 本节小结
• 2.2 开孔结构内压脉动的频域法分析
• 2.2.1 风致内压动力响应的频域计算理论
• 2.2.2 空腔-孔口动力系统的频响特性分析
• 2.2.3 内压脉动的频域法估算及临界开孔率
• 2.2.3 外压相关性对内压脉动的影响
• 2.2.4 本节小结
• 2.3 背景孔隙对开孔结构内压响应的影响
• 2.3.1 考虑背景孔隙的内压传递方程
• 2.3.2 孔口非线性阻尼特性的强迫激振法分析
• 2.3.3 背景孔隙对内压响应的附加阻尼分析
• 2.3.4 内压脉动量的时域法估算及背景孔隙阻尼效应的量化
• 2.3.5 本节小结
• 第三章 风致内压与大跨屋盖的藕合振动特性
• 3.1 名义封闭建筑风致内压与屋盖的耦合振动
• 3.1.1 简化假定
• 3.1.2 理论推导
• 3.1.3 结构特性与计算参数
• 3.1.4 屋盖振动的幅频特性分析
• 3.1.5 等效气承刚度与等效气动阻尼
• 3.1.6 大跨屋盖的气动减振及最优孔隙率
• 3.1.7 本节小结
• 3.2 迎风面开孔结构风致内压与屋盖的耦合振动
• 3.2.1 简化假定
• 3.2.2 理论推导
• 3.2.3 结构特性与计算参数
• 3.2.4 屋盖振动的幅频特性分析
• 3.2.5 开孔屋盖结构模态参数分析
• 3.2.6 本节小结
• 第四章 考虑内压时大跨屋盖风致响应模态分析法
• 4.1 基本假定
• 4.2 考虑内压屋盖风致响应模态分析法的理论推导
• 4.2.1 屋盖风致响应模态分析的基本解
• 4.2.2 封闭式结构屋盖风致响应模态分析法
• 4.2.3 开孔结构屋盖风致响应模态分析法
• 4.3 风致内压对屋盖风致响应影响的参数分析
• 4.3.1 结构动力特性与屋面风荷载
• 4.3.2 封闭式屋盖风致响应分析
• 4.3.3 迎风面开孔屋盖风致响应分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 开孔结构内部风效应的风洞试验研究
• 5.1 开孔结构的模型设计与制作
• 5.1.1 模型设计与测点布置
• 5.1.2 模型制作
• 5.1.3 试验工况
• 5.2 试验设备
• 5.2.1 风洞
• 5.2.2 风场特性测试仪器
• 5.2.3 动态风压测试系统
• 5.3 风场模拟
• 5.4 风压测试方法
• 5.5 试验结果分析
• 5.5.1 突然开孔时内压瞬态响应分析
• 5.5.2 风致内压的空间分布特性分析
• 5.5.3 风致平均内压理论估算方法的验证
• 5.5.4 风致内压脉动特性及理论估算方法的验证
• 5.5.5 内压峰值因子的取值规律分析
• 5.5.6 内外压的相关性分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 大跨屋盖与结构内压耦合风致振动的气弹模型风洞试验研究
• 6.1 大跨屋盖气动弹性模型的设计与制作
• 6.2 试验方法与试验工况
• 6.3 试验结果分析
• 6.3.1 突然开孔时屋盖瞬态响应分析
• 6.3.2 屋盖风致响应均方根的多因素影响分析
• 6.3.3 屋盖结构与内压耦合动力特性的理论验证
• 6.4 本章小结
• 第七章 风致内压相关问题的工程应用研究初探
• 7.1 风致内压相关问题的风洞试验相似性模拟
• 7.1.1 风洞试验相似性模拟的基本理论与方法
• 7.1.2 气承刚度与孔口阻尼相似性模拟的附加准则
• 7.1.3 工程应用中的处理方法讨论
• 7.1.4 本节小结
• 7.2 开孔结构抗风设计研究
• 7.2.1 国内外风荷载规范对风致内压取值的规定
• 7.2.2 开孔结构风致内压取值的合理化建议
• 7.2.3 结构抗风灾的建筑方案优化设计
• 7.2.4 本节小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 本文工作总结
• 8.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录: 作者攻读博士学位期间发表和录用的论文