车辐式大跨度张拉索膜结构的风振响应分析——佛山世纪莲体育中心屋盖索膜结构风振响应分析

摘要

车辐式大跨度张拉索膜结构由于质量轻和受力合理等优点能够跨越非常大的跨度。它对地震力有良好的适用性，但对风荷载的作用却十分敏感。国内外由于风荷载引起索膜结构破坏的实例并不罕见。同时这类结构的风振响应特点迥异于高层结构和桥梁结构。它不但具有较强的几何非线性，而且是复杂的多自由度三维体系，自振频率分布密集而且耦合严重。因此，对车辐式大跨度张拉索膜结构进行系统地风振响应研究，分析各基本参数在常用范围内变化对结构风振性能的影响显得十分必要。 本文首先在大量文献总结工作的基础之上，对车辐式张拉索膜结构风振响应的一些基本理论，如索膜找形理论、脉动风荷载模拟、自振特性和非线性时程分析理论等进行了较为系统的探讨。 随后，本文基于Strand7对索膜结构进行了找形和静力分析，并与通用有限元软件ANSYS8.0和专业找形软件进行对比，验证了方法的可靠性。利用数学工具软件matlab7.0编制了线性滤波器法和谐波合成法生成脉动风速时程曲线的程序，并验证了风速模拟的准确性。 本文讨论了预应力度、膜材的膜材张拉刚度和荷载工况对结构自振特性的影响；讨论了预应力度和膜材张拉刚度对结构静风反应的影响。研究表明：大跨度车辐式张拉索膜结构的自振频率分布相当密集，前几阶振型大部分是内环索的波形振动。随着预应力度的增加，结构的频率也在增加，但变化的幅度不是很大。不同荷载工况对结构的自振频率影响不大。增加预应力度的大小是防止膜单元出现褶皱的一种十分有效的途径。 本文重点讨论了预应力度、膜材张拉刚度、结构阻尼比和风速对车辐式大跨度张拉索膜结构风振响应的影响。同时还讨论预应力度、膜材张拉刚度和风速对车辐式张拉索膜结构等效风荷载系数的影响。研究表明：预应力度对结构风振响应影响比较大。膜材弹模对结构风振响应的影响比膜材厚度对结构风振响应的影响大。结构阻尼比对大跨度张拉索膜结构风振响应较小。在对称风或不对称风作用下，结构的动力最大响应和静力最大响应随着预应力度的增加而减小。车辐式大跨度张拉索膜结构的等效静风荷载系数变化稳定在一定的范围之内。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1概述

1.1.1膜结构发展简史

1.1.2车辐式结构的受力机理

1.2索膜结构风振响应分析的研究现状

1.3本文的研究工作

第二章张拉索膜结构的非线性有限元理论及找形分析和静力分析

2.1索膜结构的非线性有限元理论

2.1.1膜单元的非线性有限元理论

2.1.2悬链线索元理论

2.2找形分析理论和基于Strand7的找形分析

2.2.1现有索膜结构找形的方法简介

2.2.2基于Strand7的索膜结构找形验证

2.3基于Strand7和ANSYS索膜结构静力荷载的对比分析

2.3.1索膜结构静力分析的有限元理论

2.3.2算例

2.4本章小结

第三章随机风速场的数值模拟

3.1风的自然属性

3.1.1平均风的基本属性

3.1.2脉动风的基本属性

3.2大跨度空间结构脉动风速时程曲线的模拟

3.2.1线性滤波器法

3.2.2谐波合成法

3.2.3模拟生成脉动风速的检验

3.3算例

3.3.1两种方法模拟结果的对比

3.3.2佛山世纪莲体育场大跨度索膜结构的风时程曲线的模拟与验证

3.4本章小结

第四章车辐式大跨度张拉索膜结构的自振分析和静风分析

4.1张拉索膜结构的自振分析

4.1.1自振分析方法

4.1.2车辐式大跨度张拉索膜结构的自振分析

4.2车辐式大跨度张拉索膜结构的静风分析

4.2.1预应力度对静风的影响

4.2.2膜材张拉刚度对静风的影响

4.3本章小结

第五章车辐式大跨度张拉索膜结构的风振响应分析

5.1引言

5.2动力学有限元的基本理论和时域分析方法

5.2.1张拉膜结构的风振响应特点

5.2.2脉动风响应动力方程

5.2.3风振动力方程的数值计算

5.3张拉索膜结构抗风设计方法

5.3.1阵风荷载因子法

5.3.2惯性风荷载法

5.3.3基于LRC方法的等效静力风荷载法

5.3.4张拉式膜结构抗风设计的实用方法

5.4车辐式大跨度张拉索膜结构的风振响应分析

5.4.1预应力度对车辐式大跨度张拉索膜结构风振响应的影响

5.4.2膜材张拉刚度对车辐式大跨度张拉索膜结构风振响应的影响

5.4.3风速对车辐式大跨度张拉索膜结构风振响应的影响

5.4.4阻尼比对车辐式大跨度张拉索膜结构风振响应的影响

5.5车辐式大跨度张拉索膜结构的等效静风荷载系数建议值

5.5.1预应力度对等效静风荷载系数的影响

5.5.2膜材张拉刚度对等效静风荷载系数的影响

5.5.3风速对等效静风荷载系数的影响

5.5.4等效静风荷载系数的建议值

5.4本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢

评定意见