大跨度结构在风荷载下的动力响应.pdf

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1、2012年第5期(总186期)安徽建筑大跨度结构在风荷载下的动力响应LongSpanStructureintheDynamicResponseofWindLoad杨亚勤(宁波市轨道交通集团有限公司，浙江宁波315010)摘要：风荷栽是大跨度结构设计中的主要控制荷载之一。通过对大跨度车站屋盖进行有限元建模，基于自回归法，编制MATLAB计算程序，模拟车站屋盖典型节点风速时程曲线，将模拟风速时程转化为风虽荷栽时程，采用瞬态分析法得出屋盖的动力响应，以供类似工程参考借鉴。关键词：风速时程模拟；自回归法；动力响应中图分类号：TU311．3文献标识码：B文章编号：1O

2、07—7359(2012)05—015E}_旬31概述(a)平面图(b)立面图随着高强轻质材料的使用，结构设计方法及施工技术的发图1车站屋盖图展，大跨度空间结构发展日新月异。大跨度结构具有自重轻、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。借助经验公式给出的各种功率谱函数，可以从频域和时域一辜，E一>O88●2O噎0噜4一．、E一，两方面进行分析。基于线性迭加的频域分析法不能考虑结构非8t42O童结线性。而时域分析法与之相比较，其优点表现为：能进行较精确。。‘。

3、e(。o)‘。’。。。。构的非线性分析；动力响应如位移、力或加速度的最大值可以直t设接求出；在缺乏实测或试验资料的情况下，各种简化计算方法图210530点模拟脉动风速时程计可以与精确的时域分析法进行比较验证等。与●研风荷载的各种模拟方法中，Monte—Carlo法应用较多。忽略●4究初始阶段记录的严重非平稳区域，脉动风速时程可视为平稳高12应斯随机过程，运用Monte—Carlo模拟平稳高斯随机过程的方法Eo用主要有谐波叠加法和线性回归滤波法。国内外的学者已在该方-．●面进行了大量的研究l12]。张相庭[31等(2ooo年)基于多维AR算法．●’●提出混合回

4、归模型有效地模拟了脉动风速时程，用于结构时程．10分析；刘毛方~(2006年)对深圳保利文化广场钢结构屋盖进行了风振响应时程分析。F．Niet0嘴(2008年1在模型试验和计算图315974点模拟脉动风速时程机辅助设计下，对大跨度桥梁考虑了空气动力学和气动弹性，并对塔克马海峡大桥和墨西拿海峡大桥进行分析。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有极其重要的学术研究意义。2线性滤波法图414991点模拟脉动风速时程线性滤波即白噪声滤波，它的基本思想是：将随

5、机过程抽象为满足一定条件的白噪声，然后经某一假定系统进行适当变【u】=【Ⅱy，。，t△D卜[Ⅳ(z)】(1)换而拟合出该过程的时域模型。近年来，线性滤波法中的自回^=I归(Auto—Regressive，AR)模型因计算量小、速度快，广泛用于随式中：p为模型阶数；为时间步长；为自回归系数矩安机振动的时域模拟。阵；[㈨】=⋯，】中ffJ是均值为0，具有给定方差的正徽M个具有空间相关性点的脉动风速时程可由下式产生：态随机过程。建2．1回归系数矩阵随机风过程的协方差与回归系数J之间的关系可写成筑收稿日期：2012—06—21矩阵形式：作者简介：杨亚勤(1983一)

6、，女，湖北襄阳人，硕士，研究方向：结构工囝程。】～=JR】k(2)2012年第5期(总186期)安徽建筑时程分析时采用Newma虽rk—B进行方程求解。缘节点14991的脉动风速模拟时程曲线(见图2、3、4)。模拟为了计算O~t时段内的反应，可将t分为n等分，根据动力参数如下：场地类型为B类，平均风速为24．9m／s，回归阶数学方程，在t+At时刻：p=4，模拟风速时程长度为120s，模拟时间步长为0．1s。4．3位移和加速度时程分析MxI+Cx△+Kx△f=+△l(15)根据时程分析原理，由模拟风速时程得到风荷载时程，再利用拉格朗日中值定理，在t+△t时刻

7、的速度可表示为：将风荷载时程作为外施荷载时程对站台屋盖进行加载，采用瞬H△t=+(J—At+Txf+△At(16)态分析法得出屋盖的位移和加速度响应时程。由位移泰勒展开式，便有：以节点的x向位移X和加速度为例，其位移振幅可表示1．．．△t+[(1虹

8、+．．】(△t)，为maxlx(t)一其中x0)为某一时刻的位移值，为该点的位移(0≤口≤1／2)(17)平均值。图5、6和7分别为节点10530、15974和14991的x向位移和加速度时程曲线。如果知道状态t时刻的向量、和，可以计算状态件△￡时刻节点14991处于迎风屋盖的边缘，其x向位移振幅为的向量、和△l

9、o根据￡=0时初始条件捐和；由动力8．5ram，比节