鞍形索网的风振响应特性研究

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振动与冲击

第２７卷第７期

ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩＢＲＡＴ】ＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ

鞍形索网的风振响应特性研究

陈波 一，武岳 ，沈世钊

（１．北京交通大学土木建筑工程学院，北京１０００４４；２．哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨１５００９０）

摘 要：将风振响应分为平均响应、背景响应和共振响应三部分，其中背景响应采用影响线的方法计算，共振响应

采用Ｒｉｔｚ－ＰＯＤ法计算。将该方法应用于矢跨比为１／１２的鞍形索网结构，通过同步测压试验确定风荷载，对其自振特性、

风振响应谱特征、振型参与特性、振型间的耦合效应、以及各响应分量的分布规律进行了研究。结果表明：风振响应明显

呈现多阶振型参与振动、且低阶振型贡献较大的特点；振型间的耦合效应较明显；脉动风响应明显大于平均风响应，共振

响应占主导地位，背景响应所占比例较小。

关键词：鞍形索网；风振响应；响应谱；耦合效应

中图分类号：ＴＵ３９３．３ 文献标识码：Ａ

预应力鞍形索网，作为一种重要的大跨度空间结 性结构处理，此时可以采用频域方法分析该类结构的

构形式，已大量应用于体育场馆和工业设施等大型公

风振响应。

共建筑¨Ｊ。鞍形索网自身刚度较小，而且随着结构跨 鞍形索网的风振响应特性研究主要存在三个主要

度的不断增大、屋面轻质材料的选用，该类结构对风荷

问题：①屋面的气动分离较为明显，屋面风荷载复杂，

载的作用变得更为敏感，风荷载成为该类结构设计的

风洞试验成为确定屋面风荷载的主要手段。②风振响

一

种控制性荷载，目前缺乏对该类结构风振响应特性 应分析方法，该类结构固有频率分布密集，风振响应分

的深入认识，还没有形成相应的抗风设计方法，导致该 析往往需要考虑多阶振型的影响，风振响应分析中如

类结构的工程抗风设计仍处于无据可依的局面。因

何选择这些主要参与振型成为一个难题。③风振响应

此，对大跨度鞍形索网的风振响应特性进行系统的研

特性，如，是否可以忽略脉动风响应，以及是否可以忽

究具有重要的理论意义和工程价值。

略结构的动力放大作用；脉动风响应中主要参与振型

结构的风振响应分析可以采用时域分析方法和频

的分布特点，以及振型间耦合效应的影响；此外，索的

域分析方法，其中频域分析方法能够直接建立风振响

内力和支座反力等响应特性也是值得关注的重点。深

应与风荷载基本参数的直接联系，物理含义更为明确， 入了解鞍形索网结构的风振响应特性，是指导该类结

计算效率更高，但该类方法仅适用于线性结构和弱非

构抗风设计的重要基础。

线性结构。时域方法主要解决几何非线性或物理非线 大跨度屋盖表面受特征湍流影响较大，准定常假

性结构 Ｊ，以及需要考虑气弹耦合响应的结构。对于

设确定风荷载将带来一定误差，因此，一般主要通过风

大跨度屋盖结构，膜结构、单向悬挂结构以及其它一些

洞试验或者ＣＦＤ（计算流体力学）数值模拟方法确定该

超大跨度结构成为气弹耦合效应研究的热点和 类结构风荷载，国内外一些大跨度结构都进行了风洞

重点 ’・ 。

试验 ，以确定平均风荷载和脉动风荷载。同时，数值

鞍形索网屋面本身是负高斯曲面，索本身被施加

模拟方法由于成本低、能较好解决相似比等优势，目前

较大预应力，故在一般跨度下，结构刚度较好，风致振

也逐渐成为确定风荷载的重要手段 ，但仍存在湍流

幅较小，因此在本文的研究过程，暂不考虑气弹耦合效

模型等问题，目前主要用于确定屋面平均风荷载。

应。此外，根据文献［１，５］表明，由于施加了较大预应 关于大跨度空问结构风振响应中选择主要参与振

力，鞍形索网结构或者平面索网的风振响应属于在静

型这一问题，国内外学者分别提出了准ｘ模态法 和

力平衡位置附近的限幅随机振动问题，如果以索网在 模态补偿法 。但这些方法都有其一定的适用范围，

平均风作用下的平衡位置作为风振响应分析的初始 如文献［８，９］是根据各振型对平均风响应或者脉动风

态，则可认为结构的脉动响应属微幅振动，可近似按线

静力响应的贡献大小选择主导振型，而忽略了结构的

动力放大作用也将影响各振型对风振响应的实际贡献

基金项目：国家自然科学基金重点项目（５０３３８０１０）和中国博士后科学

这一事实。文献［１０］采用平均风荷载作为脉动风的荷

基金（２００７０４１０９０９）

载空间分布形式，采用Ｒｉｔｚ向量直接叠加法分析了圆

收稿［］］朝：２００７—０８～０３修改稿收到日期：２００７—１１—０６

拱屋盖的风振响应，取得了满意的结果，但是将平均风

第一作者陈波男，博士，讲师，１９７９年生

荷载作为脉动风的荷载空间分布形式这一处理方式仍

通讯作者沈世钊男，教授，院士

值得改进