刚性悬挑网格结构风振响应与位移风振系数的参数分析

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会刚性悬挑网格结构风振响应与位移风振系数的参数分析罗敏杰张毅刚吴金志(北京工业大学．北京100022)摘要：本文运用频域分析方法．采用规范所选用的Davenport谱和shiotani相干函数对刚性悬挑网格结构进行风振响应与位移风振系数的分析。并且选择了不同的参数对结构进行了风振响应与位移风振系数的计算，最后对计算结果进行归纳与分析。关键词：大跨度悬挑屋盖结构，频域分析，风振响应一、刖吾由于悬挑结构具有质量轻、柔度大、阻尼小等特点，和高层、高耸、悬索结构一样属于风敏感性结构。然而在现行的建筑荷

2、载规范中，对于脉动风引起的悬挑结构风致振动并没有像高层和高耸结构那样提供具体简捷的计算公式。从目前研究情况来看，许多学者已经时一些具体的悬挑结构进行了风振响庶的计算和研究“”，但是均未对刚性悬挑结构的风振响应及风振系数进行系统的研究，无法给悬挑结构的风荷载设计提供很好的理论依据。因此，如何精确有效地进行人跨悬挑结构的风振响应是当前急于解决的问题。本文将采用频域分析方法“。对刚性悬挑网格结构进行风振动力响应分析，在结构参数(结构的刚度、跨度和宽度等等)和风荷载参数(地貌类型、风荷载、结构高度等等)常用变化范围内，进行大量实际

3、结构计算，然后对所得的计算结果进行统计分析和归纳，考察各参数对刚性悬挑网格结构的风振响应和风振系数的影响。所得出的一系列有意义的结论将为刚性恳挑网格结构的抗风设计提供实用数据。二、风振响应分析方法对于n个自由度的理想网格结构，其风振分析方程为：^埘O)+Ck(f)+—K“(f)=，(f)．(1)式(1)中：从￡膏分别为结构总体质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。根据一般风工程理论”1，可以将结构表层任意结点j承受的风荷载描述为：E(f)=∥^，乞厩叶O)4j2t?⋯”们(2)式(2)中：鳓为结点j处的风压脉动系数，鸬．为结点j处

4、的风载体型系数，可以通过荷载规范查得或由风洞试验确定；丘为结点j处的等效迎风面积，p为空气密度；巧为平均jxl速：v(f)为脉动风速。引入广义位移向量函使得Ⅱ=毋口，其中毋为结构的振型矩阵，当取前四阶振型参与计算时可表示为西=，口-岛⋯西，⋯岱√，西，为-，阶振型向量，利用振型正交性的特点，结构的风振方程可以表示为Ⅲ个独立的方程：工业建筑2007增刊第七届全国现代结构矿程学术研讨会§，+2￡u口，+嵋q，=p，(f)卢1，2⋯_’Ⅶ(3)式(4)中f。n为第／阶振犁的阻尼比和圆频率；西(0为第／阶振型对应的广义脉动风压pJ

5、(f)=蟛‘(f)／(∥肘办)户l，2⋯·‘w(4)根据随机振动理论⋯，广义荷载D(幻的空问一频率谱密度町以表示为s。。(。)：!：丝翼型翼塑垒(5)％毋∽户弋历孤菥怕’式(6)中，水平脉动风速功率谱品(曲为风速功率潜，空间相干函数斤为脉动风速的空间相干函数。进一步可以求得位移响应的谱密度S(神：s蝴(w)=唬吼(_iw)H，(iw)s^n(w)∥(6)引鳓札H再咖手南于是可得结构设计最大动位移，：。『宝宝c蹦州。rL，一lt一1J式(13)中，箩为峰值因子，本文取2．5盯1，口为前若干阶振型总数。三、风振响应的参数分析基

6、于上文叙述的频域法理论，采用vB(VisualBasic)语言编制了风振计算分析程序(swind)，并对多项悬挑结构进行了计算分析以及对比验证程序的正确性。以下是一给定参数的刚性悬挑网格结构为参考模型(基本参数见表l，结构模型见图l，计算结果见图2)。表1基本结构模型参数模型参数参数取值风荷载参数参数取值BXD20m×30m地貌类型B类h1．5m基本风压04】(N／Ⅲ2刚格数7×10结构体型系数荷载规范构件截叫满应力设计确定风压高度系数荷载规范质量自重及05l【N／m2屋面恒载风向角0。1支庠高度10m相干函数Shiota

7、ni公式阻尼比O02风速谱函数Dave兀口ort谱(一)参数工况分类根据参数条件的的不同性质，将工况分为结构参数工况和风荷载参数工况两大类。同时为了使分析结果具有实用性，本文在选择参数时尽量符合实际情况。在开展参数分析时，遵循以下规则：除非特别指明，考虑某参数影响时，其他参数保持不变且与参考模型基本参数取工业建筑2007增刊第七届全国现代结构工程学术研讨会值相同，结构构件截面均由满应力设计确定。各算例均以表l中的参数为基准，从各类参数工况中选取一种进行组合。具体参数工况如下：．(1)结构参数跨度L：14、17、20、23(

8、Ⅲ)：宽度B：24、27、30、33(m)；屋盖厚度h：1．2、l_5、1．8、2．0(m)；屋面恒载：0．3、0．4、0．5、O．6(I(N／m。)；阻尼比：0．01、0．02、0，∞5、0．05；(2)风荷载参数地貌类型：A、B、c、D；基本风压：0．3、0．4、0．45、0．5(KN／m2)；支座