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    雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)研究

    2015-12-30 09:19:08蘭志昆
    科技視界 2015年13期
    關(guān)鍵詞:風(fēng)振柱面網(wǎng)殼

    蘭志昆

    (同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家級重點實驗室,中國 上海200092)

    0 引言

    對于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能研究以往大多針對單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),而實際工程中應(yīng)用較多的則是雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),該類型結(jié)構(gòu)具有跨度大、質(zhì)量輕、阻尼小等特點,是柔性結(jié)構(gòu),易遭受風(fēng)荷載作用而毀壞,因此,有必要研究雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)。

    結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)分析方法一般有時域和頻域兩種分析方法,時域分析方法是將風(fēng)荷載時程直接作用在結(jié)構(gòu)上,然后通過逐步積分法分析結(jié)構(gòu)的動力時程響應(yīng)。頻域分析方法是基于隨機振動理論,通過利用頻響函數(shù)直接建立響應(yīng)功率譜與脈動風(fēng)壓譜之間的聯(lián)系,進而獲得結(jié)構(gòu)的均方響應(yīng)值。此方法中的模態(tài)疊加法計算效率較高、物理概念清晰,可以直接得到風(fēng)振響應(yīng)隨風(fēng)荷載特性和結(jié)構(gòu)的基本特性的變化規(guī)律,在實際工程中的應(yīng)用較為廣泛 。

    本文以某實際雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為背景,該結(jié)構(gòu)跨度為100m,高52m,長700m,端截面開口,選取頻域中的模態(tài)疊加法進行A類風(fēng)場條件下結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)計算,然后給出峰值位移響應(yīng)結(jié)果。

    1 風(fēng)洞試驗

    風(fēng)洞測壓試驗是在同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點試驗室風(fēng)洞試驗室的TJ-3大氣邊界層風(fēng)洞中進行。雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)位于A類風(fēng)場條件下,模型采用有機玻璃板制成并與實物在外形上保持幾何相似,幾何縮尺比為1/200。在模型上共布置608對測點(測點示意圖見圖1),每對測點布置包括內(nèi)、外表面兩個測壓孔,測點最終的壓力為內(nèi)外表面壓力之差。由于結(jié)構(gòu)的對稱性,只進行90°-180°風(fēng)向角范圍內(nèi)的風(fēng)洞試驗(風(fēng)向角間隔取15o),定義來流風(fēng)垂直于模型縱軸方向吹時的風(fēng)向角為0o,按順時針方向增加。雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型參數(shù)及風(fēng)向角定義如圖1所示。參考點高度設(shè)置在模型頂部,參考點風(fēng)速為12m/s,采樣頻率為312.5Hz,每個測點采樣樣本總長度為6000個數(shù)據(jù)。

    圖1 雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型參數(shù)及 風(fēng)向角示意圖

    2 風(fēng)振位移響應(yīng)分析

    2.1 風(fēng)振位移響應(yīng)計算方法

    結(jié)構(gòu)的動力平衡方程為

    式中:M,C,K分別為質(zhì)量、阻尼以及剛度矩陣;

    y¨,y˙,y分別為結(jié)構(gòu)的加速度、速度和位移向量;

    P(t)為風(fēng)荷載向量。

    用于計算的風(fēng)荷載來自風(fēng)洞同步測壓試驗數(shù)據(jù),根據(jù)相似定律已經(jīng)將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)實際風(fēng)場的風(fēng)荷載。結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)均方根可按下式由功率譜積分而得,即

    式中z為位移響應(yīng)的高度;n為脈動風(fēng)頻率(Hz)

    2.2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

    雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型采用Ansys軟件建立,模態(tài)分析結(jié)果前四階見圖2(MX表示在此處模態(tài)位移最大),圖中的第一階模態(tài)圖為左右橫向振動,第二、四階模態(tài)圖為橫向和豎向耦合振動,第三階模態(tài)圖為前后縱向振動。

    圖2 第1~4階模態(tài)圖及自振頻率

    2.3 計算參數(shù)選取

    選取前50階模態(tài)參與風(fēng)振響應(yīng)計算,結(jié)構(gòu)阻尼比為0.02,基本風(fēng)壓為0.88kPa(50年重現(xiàn)期)。

    2.4 風(fēng)振峰值位移響應(yīng)隨風(fēng)向變化的的規(guī)律分析

    根據(jù)前文所述頻域方法和計算參數(shù),對雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在試驗風(fēng)向90°-180°時的風(fēng)振響應(yīng)進行分析。

    從結(jié)構(gòu)整體變形的協(xié)調(diào)性可知雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)上下弦節(jié)點變形差別不大,故在位移響應(yīng)分析時只考慮結(jié)構(gòu)上弦節(jié)點。結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)以沿跨度方向和豎向位移為主,原因在于縱向位移響應(yīng)很小,比豎向位移和沿跨度方向位移小一個數(shù)量級,故后文不予討論。同時通過2.2節(jié)的模態(tài)分析可知結(jié)構(gòu)頂部及腰部位置處易出現(xiàn)最大峰值響應(yīng),本文將對此進行重點分析。必須注意的是,本文中提到的某風(fēng)向角下的峰值位移是指在該風(fēng)向角下所有結(jié)構(gòu)節(jié)點中出現(xiàn)的絕對值最大的豎向或沿跨度方向位移,該位移在不同風(fēng)向下盡管都出現(xiàn)在相同區(qū)域,但并不一定發(fā)生在同一節(jié)點上。

    圖3為結(jié)構(gòu)沿跨度方向和豎向峰值位移響應(yīng)隨風(fēng)向角變化曲線(圖中的負值表示與Ansys中規(guī)定的整體坐標(biāo)軸正方向相反,正值表示與Ansys中規(guī)定的整體坐標(biāo)軸正方向一致),從圖中可知,沿跨度方向和豎向峰值位移響應(yīng)隨風(fēng)向角的變化趨勢基本相同,兩者最小絕對值均發(fā)生于當(dāng)來流正好與結(jié)構(gòu)縱軸方向平行時(即90o風(fēng)向角),而最大絕對值發(fā)生于斜風(fēng)向角(150°風(fēng)向角)時,此時的沿跨度方向位移峰值響應(yīng)為-588mm,豎向峰值位移響應(yīng)為-232mm,可見在90°-180°風(fēng)向角范圍內(nèi)150°風(fēng)向角為結(jié)構(gòu)控制性位移響應(yīng)風(fēng)向角。由于結(jié)構(gòu)的雙軸(X、Y)對稱性,90°-180°風(fēng)向角下的位移響應(yīng)可代表0°-360°風(fēng)向角下的位移響應(yīng),因此位移響應(yīng)控制性風(fēng)向角150°換至0°-360°風(fēng)向角范圍內(nèi)即為30°、150°、210°、330°,這些風(fēng)向角值得在結(jié)構(gòu)設(shè)計中多加注意。

    圖3 峰值位移響應(yīng)隨風(fēng)向角變化曲線

    3 總結(jié)

    本文以某實際雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為背景,對一跨度100m,高52m,長700m,端截面開口的雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行風(fēng)振位移響應(yīng)分析,結(jié)果表明在試驗風(fēng)向角90°-180°范圍內(nèi)150°風(fēng)向角是結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)控制性風(fēng)向角,此時的沿跨度方向位移峰值響應(yīng)為-588mm,豎向峰值位移響應(yīng)為-232mm,根據(jù)對稱性換算至0°-360°風(fēng)向角范圍內(nèi)即為30°、150°、210°、330°,這些風(fēng)向角值得在結(jié)構(gòu)設(shè)計中多加注意。

    [1]李元齊,董石麟.大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究現(xiàn)狀[J].工業(yè)建筑,2001,05:50-53.

    [2]米福生.干煤棚風(fēng)致響應(yīng)及干擾效應(yīng)研究[D].同濟大學(xué),2007.

    [3]黃本才,汪叢軍.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用[M].上海:同濟大學(xué)出版社,2001.

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