悬臂弧形挑篷风荷载和等效静风荷载研究

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悬臂弧形挑篷被广泛的应用于体育场主看台及公共场馆敞开式出入口大厅等建筑中。这类结构的空间三维特征使得表面的风荷载分布极为复杂,而结构的悬挑特性,又造成其对风荷载作用非常敏感。由于外形和结构上的特点,使得悬臂挑篷的抗风研究成为目前结构风工程研究的难点之一。本文主要从风洞试验和风振理论两个方面对悬臂弧形挑篷的风压特征和风振响应特性进行研究,得到适用于挑篷结构设计的等效静风荷载,主要工作的内容如下:   1.悬臂弧形挑篷风荷载的参数分析。设计具有一般性的悬臂弧形挑篷模型代表常见的挑篷形式,利用同步测压技术、频域分析方法、数值模拟和小波分析方法研究了弧形挑篷在不同参数(风场、屋盖倾角、风向角、屋盖下部堵塞度、屋盖前缘衬板和来流向看台的遮掩效应等)条件下风压分布特征。通过悬臂弧形挑篷数值模拟的结果验证了锥状涡的存在,解释了边角区域风荷载分布的形成机理。在仔细分析脉动风压的概率分布形式后,得到了适用于挑篷表面最不利风荷载统计的峰值因子取值;通过不同参数条件下挑篷表面各区域风压的频谱曲线,系统地讨论了悬臂弧形挑篷的风荷载的频率分布特征;利用小波分析这一新进发展的信号分析手段,确定了适用于挑篷表面风压分析的小波基,通过风压样本的小波变换和多分辨率分析,得到了不同尺度下风荷载近似部分和细节部分相关性特征等风荷载信息;   2.研究挑篷边角处的风荷载特征以及围护结构设计风荷载的合理取值。根据各参数模型在全部试验风向角下的风压系数统计结果,获得了挑篷边角区域上表面的极值风压分布规律和针对这部分区域的风压峰值因子,并系统讨论了悬臂弧形挑篷上表面围护结构的阵风系数取值。在详细分析挑篷边角区域净风荷载后,针对挑篷下表面裸露的情况,对该区域净风荷载的极值风压、峰值因子以及我国规范中定义的阵风系数也作了深入研究;   3.悬臂弧形挑篷等效静风荷载的研究。采用协方差综合法得到悬臂弧形准静力部分的梯形等效静风荷载,将其与LRC法计算得到的等效静风荷载以及风洞试验中实测得到的挑篷风荷载作对比,证明沿挑篷径向采用梯形分布的等效静风荷载的有效性。通过大量计算分析得到基本挑篷的等效静风荷载,以及根据风向角、风场、挑篷倾角、对侧挑篷形式、挑篷下部通风率及衬板形式等因素对基本挑篷等效静风荷载的影响分析,得到一般悬臂弧形挑篷的准静力部分等效静风荷载的表达式。该表达式描述的等效静风荷载沿挑篷展向近似呈弦波形式,沿挑篷径向呈梯形形式,且考虑各参数的影响。根据常见的弧形挑篷基频所在范围,构造了与风洞试验模型几何尺寸一致的有限元模型,通过直接施加风洞试验得到的风压时程,采用时程分析法计算在不同基频下弧形挑篷的动力响应,将该动力响应对应的等效静风荷载与准静力部分的等效静风荷载作对比,得到了包含平均响应、背景响应和共振响应的等效静风荷载。通过验证,本文得到的悬臂弧形挑篷等效静风荷载完整形式能够应用于一般悬臂弧形挑篷的设计。
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