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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。