大跨度空间结构在风荷载作用下的动力响应及舒适度研究

论文摘要

随着高强轻质材料的使用,结构设计方法及施工技术的发展,大跨度空间结构发展日新月异。大跨度空间结构具有自重轻、柔性大、阻尼小、自振频率低和体型复杂等特点,风荷载是其结构设计中的主要控制荷载之一,尤其对复杂弱刚性大跨度结构体系,有时比地震作用显得更重要。由于大跨度空间结构风荷载分布和振动特性比较复杂,目前国内还没有建立合理的计算分析方法,总结其共性的规律,因此深入研究大跨度空间结构的风荷载动力响应及舒适度评价有极其重要的学术研究意义和工程应用价值。本文采用数值模拟和风洞试验相结合的方法,对大跨度空间结构的动力响应分析和舒适度评价,主要有以下几方面的工作:(1)基于自回归法(AR)的基本原理,编制MATLAB计算程序,模拟了具有空间相关性的多点脉动风速时程曲线,并在此基础上对脉动风速时程离散值作数理统计分析,得到模拟功率谱曲线,与目标功率谱进行比较分析,较为吻合。证明该方法的正确性。(2)以武汉火车站为例,模拟其屋盖表面节点的脉动风速时程,根据刚性模型风洞试验测得的不同风向角下平均风压系数,选取最不利风向角,经过一系列转换和修正,得到该风向角下的体型系数,从而将模拟风速时程转化为风荷载时程。(3)利用ANSYS有限元软件对武汉火车站屋盖进行时程分析,得到结构的位移和应力时程曲线,从结果可看出结构产生了较大的振动响应。并在此基础上提出有必要进行结构楼板的舒适度评价。(4)基于国际标准ISO2631,将武汉火车站不同标高的楼层划分为几个小区域,在每个小区域内均匀选取若干点,考虑每个点三向的加速度,并进行频率加权,从而对每个点进行舒适度评价,最后对整个楼板的舒适度进行评价。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 大跨度空间屋盖结构的发展现状及破坏形式
• 1.2.1 大跨度空间屋盖结构的发展现状
• 1.2.2 大跨度空间屋盖结构的破环形式
• 1.3 大跨度结构风振响应的研究现状分析
• 1.3.1 风振响应的理论研究
• 1.3.2 风振响应的实验研究
• 1.4 大跨度空间结构的舒适度评价
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 大跨度空间结构风荷载模拟
• 2.1 风速数值模拟
• 2.1.1 谐波叠加法
• 2.1.2 线性滤波法
• 2.2 风速时程模拟的自回归（AR）法
• 2.2.1 回归系数矩阵
• 2.2.2 独立随机过程向量
• 2.2.3 M个随机过程
• 2.2.4 风速时程
• 2.3 模拟空间点的脉动风速时程程序
• 2.4 空间点系模拟算例分析
• 2.4.1 空间四点脉动风速时程模拟
• 2.4.2 空间多点风速时程模拟
• 2.5 空间点模拟的参数分析
• 2.5.1 时间步长△t的分析
• 2.5.2 回归阶数的分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 武汉火车站站房屋盖风荷载模拟
• 3.1 武汉火车站工程概况
• 3.1.1 建筑概况
• 3.1.2 结构布置
• 3.2 武汉火车站站房屋盖风洞试验结果
• 3.2.1 试验设备
• 3.2.2 试验模型
• 3.2.3 试验方法
• 3.2.4 试验结果分析
• 3.3 武汉火车站站房屋盖风速时程模拟
• 3.4 武汉火车站站房屋盖在模拟风荷载作用下的动力响应
• 3.4.1 风荷载时程
• 3.4.2 屋盖结构时程分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 风荷载引起的楼板振动舒适度评价
• 4.1 引言
• 4.2 舒适度评价的国际ISO标准
• 4.2.1 评价方法
• 4.2.2 舒适度评价
• 4.3 楼板加速度
• 4.3.1 站台层（10.25m）
• 4.3.2 候车室（18.8m）
• 4.3.3 办公和设备层（25.0m）
• 4.4 楼板振动舒适度的评价
• 4.4.1 站台层（10.25m）
• 4.4.2 高架候车层（18.8m）
• 4.4.3 办公和设备层（25.0m）
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢