淺談弦支穹頂結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)分析

甘發(fā)達

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽621010)

1 弦支穹頂結(jié)構(gòu)簡介

弦支穹頂結(jié)構(gòu)是1993年由日本法政大學川口衛(wèi)等教授將張拉整體、索穹頂?shù)热嵝越Y(jié)構(gòu)和單層網(wǎng)殼相結(jié)合而形成的一種新型雜交空間結(jié)構(gòu)體系[1]。這種結(jié)構(gòu)形式綜合了索穹項和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，同時彌補了它們各自的不足之處。

典型的弦支穹頂結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。它的頂面采用單層網(wǎng)殼，然后通過下部的多個弦支層而組成的一種結(jié)構(gòu)形式。一個弦支層包括同一緯線圈上的一組撐桿及與之相聯(lián)系的徑向索和環(huán)向索。弦支穹頂結(jié)構(gòu)作為一種剛?cè)嵯酀男滦蛷?fù)合結(jié)構(gòu)體系，完美地融合了單層網(wǎng)殼和索穹頂結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，一方面在單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的下部引入張拉整體部分，改善了單層網(wǎng)殼的穩(wěn)定性，另一方面由于使用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)代替了索穹頂?shù)纳喜克飨?，大大降低了結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析難度和施工難度，因此弦支穹頂自1993年提出以來，已在國內(nèi)外幾十余項大型工程中得到了應(yīng)用，初步顯示了它的應(yīng)用前景。

圖1 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

圖2 弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系

2 風振響應(yīng)分析的必要性

風荷載是各類建(構(gòu))筑物重要設(shè)計荷載之一。大跨度空間結(jié)構(gòu)自重較輕、柔性大、阻尼小、自振頻率較低，對風荷載比較敏感。而且，隨著跨度增加和各類輕質(zhì)材料的采用，風敏感性不斷增強，風荷載成為大跨空間結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制荷載。復(fù)雜的動力風效應(yīng)是結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制因素之一。

對于弦支穹頂結(jié)構(gòu)，其靜動力特性及穩(wěn)定性分析已取得了長足發(fā)展[2-3]，但研究弦支穹頂結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的受力特性的相關(guān)文獻到目前仍然較少，我國現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范對此類結(jié)構(gòu)的風荷載設(shè)計也沒有明確的規(guī)定。因此提出一種實用且科學的弦支穹頂結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)分析方法也成了亟待解決的課題。

3 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)分析研究現(xiàn)狀

3.1 國外研究現(xiàn)狀

國外已有不少學者對大跨空間結(jié)構(gòu)的風振問題展開了研究，獲得了很多啟發(fā)性的理論和成果[4-5]。Uematsu Yasushi和Hoover等研究了平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)，并且在風洞模型試驗結(jié)果基礎(chǔ)上，比較系統(tǒng)研究了單層網(wǎng)殼穹頂、大跨扁屋蓋結(jié)構(gòu)的風致動力響應(yīng)，通過參數(shù)分析提出一些經(jīng)驗公式；YasuiH采用蒙特卡羅方法模擬多點脈動風壓時程，然后在時域內(nèi)進行大跨空間結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)分析；Mario Di Paola研究了多結(jié)點的風速時程的計算機模擬和能量譜密度矩陣的分解。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在我國，李娜[4]首先采用結(jié)合傅立葉變換的諧波疊加法自編程序，人工模擬風速時程。以K8與聯(lián)方型的組合型弦支穹頂結(jié)構(gòu)為例，進行風振特性參數(shù)影響分析，觀察風振系數(shù)隨幾何參數(shù)變化的規(guī)律。最后采用在運動方程中引入氣動阻尼的方法，分析了在風與結(jié)構(gòu)的耦合作用下弦支穹頂結(jié)構(gòu)的風振系數(shù)。

李娜、韓慶華[6]以天津保稅區(qū)商務(wù)中心大堂屋蓋弦支穹頂結(jié)構(gòu)為例，通過時程分析方法模擬風速時程曲線，并轉(zhuǎn)化為風壓作用于該弦支穹頂結(jié)構(gòu)上。通過時程分析，得到其節(jié)點位移風振系數(shù)，建立了不同參數(shù)條件下的弦支穹頂結(jié)構(gòu)模型，進行參數(shù)影響分析，得出在上述各種參數(shù)條件下節(jié)點位移風振系數(shù)的變化規(guī)律，矢跨比和跨度對弦支穹頂結(jié)構(gòu)的節(jié)點位移風振系數(shù)影響較大。

張翠翠[5]根據(jù)自回歸AR法的基本原理結(jié)合MATLAB及VC++進行混合編程，自行編制了具有空間相關(guān)性的多點風速時程曲線，對風速時程離散值作數(shù)理統(tǒng)計分析，將得到的模擬功率譜與目標功率譜相比較，證明了所編程序的正確性。以奧運羽毛球館為例，對其屋蓋進行風速模擬，利用有限元分析軟件對其進行風振響應(yīng)分析。得到了其在水平及豎向風速作用下的位移響應(yīng)及應(yīng)力響應(yīng)，從而分析出在風振作用下結(jié)構(gòu)體系的最薄弱位置。

谷昊[7]對弦支穹頂結(jié)構(gòu)的風振特性展開深入的研究，在其基本參數(shù)的常用變化范圍內(nèi)，進行系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)計算，對所得數(shù)值結(jié)果進行分析和歸納得出以下結(jié)論：(1)弦支穹頂結(jié)構(gòu)為頻譜密集型結(jié)構(gòu)，頻率分布圖中出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象；(2)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的風振以低頻部分為主，表現(xiàn)為受迫振動；(3)針對弦支穹頂結(jié)構(gòu)的風振特性提出了改進措施，并初步形成了一套較完整的弦支穹頂結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計思路；(4)在大規(guī)模參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，對弦支穹頂結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)分析結(jié)果進行分析、回歸，給出了整體風振系數(shù)的建議值。

范峰[8]等利用隨機模擬風振分析方法對凱威特型弦支穹頂結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)特性進行了系統(tǒng)的參數(shù)分析。分析了矢跨比、撐桿高度、屋面荷載、拉索初始預(yù)應(yīng)力、跨度等參數(shù)在常用范圍內(nèi)變化對結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)的影響。針對現(xiàn)行規(guī)范應(yīng)用于弦支穹頂結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計時存在的問題，提出了一種針對整個結(jié)構(gòu)的整體風振系數(shù)及其表達式。并得出結(jié)論：矢跨比、拉索預(yù)應(yīng)力和跨度對弦支穹頂結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)的影響比較顯著，而屋面荷載和撐桿高度的影響較小。

魏德敏[9]等在考慮了風向角和水平脈動風速譜對結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算結(jié)果影響的前提下，采用完全二次型組合法(CQC法)對實際大跨弦支穹頂屋蓋結(jié)構(gòu)進行了風振響應(yīng)的頻域分析，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的最敏感風向角不同，結(jié)構(gòu)中心部位對45°風向角最為敏感,除中心和懸挑部位以外的其他部位對0°風向角最為敏感；所有區(qū)域?qū)?0°風向角最不敏感；結(jié)構(gòu)的內(nèi)力風振系數(shù)總體上較位移風振系數(shù)分布均勻；參振模態(tài)數(shù)對該實際結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算結(jié)果的影響較為明顯。

4 弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程實例統(tǒng)計[10-11]

弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程實例統(tǒng)計見表1。

表1 弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程實例

續(xù)表

5 展望

對于弦支穹頂結(jié)構(gòu)，目前仍有一些工作沒有涉及到或者沒有深入研究，有些問題還有待進一步探討：

(1)將頻域方法和時域方法結(jié)合起來。時域和頻域都是研究結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)的可行方法。為更好地開展風振響應(yīng)研究工作，應(yīng)采用時-頻聯(lián)合分析的研究方法。用頻域分析所反映的風振機理對時域分析進行修正，可能是今后研究的一個方向。

(2)發(fā)展更為完善的風速模擬方法。目前脈動風荷載模擬的各種方法中，將風荷載視為平穩(wěn)高斯隨機過程的方法應(yīng)用較多。今后模擬風速時程可以采用模擬非平穩(wěn)高斯隨機過程及非高斯隨機過程的方法。

(3)發(fā)展更為系統(tǒng)完善的大跨度空間結(jié)構(gòu)風振方法。目前提出風振響應(yīng)分析方法都有一定的問題，因此探索更為準確的風振計算方法仍是需要我們繼續(xù)深入研究的課題。

(4)發(fā)展適合弦支穹頂結(jié)構(gòu)風振系數(shù)計算的擬和公式。在以后的研究中應(yīng)對更多的弦支穹頂結(jié)構(gòu)參數(shù)進行風振分析，通過科學的回歸分析，總結(jié)出弦支穹頂結(jié)構(gòu)風振系數(shù)與各個基本參數(shù)之間的擬合公式。

[1] 尹越，韓慶華，謝禮立，等.一種新型雜交空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)——弦支穹頂[J]．工程力學，2001(增刊)：772-776

[2] 康文江．弦支穹頂?shù)撵o力和動力分析[D]．天津大學，2003

[3] 李陽．弦支穹頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析與靜力試驗研究[D]．天津大學，2004

[4] 李娜.弦支穹頂結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)分析[D].天津大學，2006

[5] 張翠翠.2008奧運羽毛球館新型弦支穹頂結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)及風振系數(shù)研究[D].北京工業(yè)大學，2008

[6] 李娜,韓慶華.弦支穹頂結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)參數(shù)分析[J].四川建筑科學研究，2008(1):25-29

[7] 谷昊.弦支穹頂結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)分析[D].哈爾濱工業(yè)大學,2008

[8] 范峰，谷昊，沈世釗.凱威特型弦支穹頂結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)分析[C]//慶祝劉錫良教授八十華誕暨第八屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學術(shù)研討會論文集，2008:490-495

[9] 魏德敏,劉亞慶.弦支穹頂結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)分析[J].華南理工大學學報：自然科學版，2012，40(10):90-95

[10] 陳志華.弦支穹頂結(jié)構(gòu)研究進展與工程實踐[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2011(5):11-20

[11] 陳志華.弦支穹頂結(jié)構(gòu)[M].北京：科學出版社，2010:11-16