大跨屋盖结构等效静风荷载精细化理论研究

论文摘要

近几十年来,大跨屋盖结构得到了前所未有的发展,被广泛用于体育场馆、会议展览中心、机场航站楼等大型公共建筑中。随着大跨屋盖结构向长大化和轻质化的方向发展,结构对风荷载的敏感性日益增强,风荷载已成为该类结构设计中的主要控制荷载。与此同时,关于大跨屋盖结构的抗风设计理论还相当薄弱,这已成为制约这种结构类型进一步发展的瓶颈。因此对大跨屋盖结构的抗风设计理论和方法进行系统研究,具有十分重要的理论意义和工程价值。本文在深入探讨大跨屋盖结构风振响应本质特征的基础上,指出大跨屋盖结构抗风理论研究的核心是要解决多荷载形态、多响应振型和多等效目标问题。针对上述特点,并借鉴高层、桥梁结构的等效静风荷载理论,提出了大跨屋盖结构等效静风荷载研究的精细化思想。该思想可表述为,应从风荷载的作用机理和结构的风振响应规律两方面入手,来研究等效静风荷载问题,力求建立等效静风荷载与风荷载基本特性以及结构自身动力特性之间的联系,从而使等效静风荷载具有更明确的物理内涵。以等效静风荷载研究的精细化思想为指导,建立了大跨屋盖结构等效静风荷载研究的系统方法,对等效静风荷载研究提出两项改进措施:1)严格定义了多自由度体系的背景响应和共振响应,提出了背景响应和共振响应相关性的分析方法,为将风振响应和等效静风荷载分成平均分量、背景分量和共振分量三部分奠定了理论基础;2)引入了一些能更加准确地描述大跨屋盖结构的风荷载和风效应的精细化方法,如本征正交分解法（POD法）、Ritz向量直接叠加法和荷载响应相关系数法（LRC法）等。提出了一种高效的结构风振响应频域分析方法—Ritz-POD法。该方法用本征正交分解法（POD法）分解脉动风压场,得到占优的前几阶本征模态作为荷载的空间分布形式;以此荷载空间分布形式生成Ritz初始向量,用Ritz向量直接叠加法分析结构风振响应,以此解决大跨屋盖结构多振型参与振动且高阶振型对结构响应贡献可能较大这一问题。与传统振型分解法相比,Ritz-POD法仅用少量的Ritz向量进行结构风振响应分析便可达到较高精度。以本文给出的多自由度体系的背景响应和共振响应定义为基础,将大跨屋盖结构风振响应分析简化为一个简单的准静力分析问题和一个只需考虑少

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 大跨屋盖结构抗风研究特点及主要内容
• 1.1.1 大跨屋盖结构抗风研究特点
• 1.1.2 大跨屋盖结构抗风设计研究主要内容
• 1.2 等效静风荷载理论研究现状
• 1.2.1 等效静风荷载理论的提出
• 1.2.2 高层、高耸结构等效静风荷载研究现状
• 1.2.3 大跨度桥梁结构等效静风荷载研究现状
• 1.2.4 大跨屋盖结构等效静风荷载研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 等效静风荷载研究的精细化理论框架
• 2.1 等效静风荷载研究的精细化思想
• 2.1.1 复杂多自由度体系的等效静风荷载定义
• 2.1.2 等效静风荷载的分析方法探讨
• 2.1.3 多自由度体系的背景响应和共振响应
• 2.1.4 精细化方法应具备的几点原则
• 2.2 主要等效静风荷载分析方法评述
• 2.2.1 阵风荷载因子法
• 2.2.2 惯性力法
• 2.2.3 LRC-惯性力法
• 2.2.4 算例比较
• 2.3 等效静风荷载研究的精细化理论框架
• 2.3.1 等效静风荷载研究的精细化理论框架
• 2.3.2 算例分析
• 2.4 本章小节
• 第3章 大跨屋盖结构风振响应的分析方法
• 3.1 本征正交分解法（POD）
• 3.2 背景响应分析的协方差法
• 3.2.1 背景响应的协方差法
• 3.2.2 本征模态表示背景响应
• 3.3 选择主导振型的Ritz-POD法
• 3.3.1 Ritz-POD法提出的背景
• 3.3.2 Ritz-POD法
• 3.4 共振响应分析
• 3.4.1 广义力的互功率谱
• 3.4.2 共振响应的频响传递函数
• 3.4.3 位移响应谱
• 3.4.4 内力响应谱
• 3.4.5 几点讨论
• 3.5 典型屋盖形式的风洞试验研究
• 3.5.1 试验设备和数据处理方法
• 3.5.2 球形屋面风洞试验
• 3.5.3 鞍形屋面风洞试验
• 3.6 单层球面网壳风振响应分析
• 3.6.1 结构模型及基本动力特性
• 3.6.2 Ritz-POD法计算结构共振响应
• 3.6.3 各响应分量分布
• 3.7 鞍形索网风振响应分析
• 3.7.1 结构模型及基本动力特性
• 3.7.2 Ritz-POD法计算结构共振响应
• 3.7.3 各响应分量分布
• 3.8 本章小结
• 第4章 等效静风荷载的确定方法
• 4.1 等效静风荷载各分量的确定方法
• 4.1.1 等效静风荷载平均分量的确定方法
• 4.1.2 等效静风荷载背景分量确定的LRC-POD法
• 4.1.3 等效静风荷载共振分量分析的惯性力法
• 4.1.4 总等效静风荷载
• 4.2 单层球面网壳等效静风荷载研究
• 4.2.1 等效静风荷载背景分量
• 4.2.2 等效静风荷载共振分量
• 4.2.3 总等效静风荷载
• 4.2.4 其它响应的等效静风荷载
• 4.3 鞍形索网等效静风荷载研究
• 4.3.1 等效静风荷载背景分量
• 4.3.2 等效静风荷载共振分量
• 4.3.3 总等效静风荷载
• 4.3.4 其它响应的等效静风荷载
• 4.4 等效静风荷载分析中的若干问题探讨
• 4.4.1 结构抗风类型划分的标准
• 4.4.2 等效目标的分类
• 4.5 本章小结
• 第5章 国家体育场等效静风荷载研究
• 5.1 前言
• 5.1.1 研究背景
• 5.1.2 工程概况和风洞试验简介
• 5.2 国家体育场风振响应分析
• 5.2.1 结构基本动力特性
• 5.2.2 国家体育场0 度风向的风振响应分析
• 5.2.3 国家体育场其它风向的风振响应分析结果
• 5.3 国家体育场等效静风荷载研究
• 5.3.1 等效静风荷载背景分量
• 5.3.2 等效静风荷载共振分量
• 5.3.3 总等效静风荷载分布
• 5.3.4 其它内力响应的等效静风荷载
• 5.4 国家体育场简化等效静风荷载研究
• 5.4.1 国家体育场等效静风荷载的简化分析方法
• 5.4.2 0 度风向简化等效静风荷载
• 5.4.3 270 度风向简化等效静风荷载
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢
• 个人简历