大跨度矩形平屋盖结构设计风荷载研究

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大跨度平屋盖结构是一种应用广泛的结构形式,具有质量轻、柔性大、阻尼小的特点,风致振动效应显著,风荷载是该类结构设计的重要考虑因素之一。但是当前尚无针对大跨度屋盖结构的抗风设计方法,目前普遍采用《建筑结构荷载规范》中规定的方法,而该方法主要针对高层、高耸结构,并不完全适用于大跨度屋盖结构。因此,以平屋盖为例给出大跨度屋盖结构设计风荷载的计算方法是本文的主要任务。本文系统研究不同长宽比、跨高比、地貌类型、模型缩尺比下平屋盖的风荷载特性,在此基础上给出大跨度平屋盖结构的设计风荷载,为正在编制的《屋盖结构抗风设计规范》相关部分提供依据和建议。本文主要工作如下:(1)设计并完成了一系列平屋盖测压风洞试验,变量包括长宽比、跨高比、地貌类型、模型缩尺比,探讨了以上变量对平均风荷载、脉动风荷载、极值风荷载的影响,并给出相应的变化规律:长宽比的影响最大,平均、脉动风压系数在长边迎风比短边迎风更为不利;其次,随着屋盖跨高比的增大,会加大平屋盖风压系数;由A类地貌至C类地貌,平屋盖平均风压系数逐渐减小,脉动、极值风压系数逐渐增大。(2)采用结合平均风荷载和脉动风荷载的等效静风荷载形式,基于大量平板网架结构的风振计算算例,探讨了背景效应和共振效应的变化规律,计算等效静风荷载效应系数值。得出网架基频是影响共振效应系数的主要因素,相对长度比是背景效应系数的主要影响因素,经验证发现该结论适用于平面桁架结构。(3)参照国内外主体结构分区,采用“井”字型主体结构分区,考虑长宽比、跨高比、风向角、地貌类型四种变量,给出不同工况下的分区体形系数、分区脉动体形系数用于主体结构抗风设计。以网架基频为自变量拟合得到风振效应系数的计算公式,结合分区风压系数进行大量算例计算,发现本文等效静风荷载计算结果可包络96.9%的工况结果,整体偏于保守。(4)针对围护结构的设计风荷载取值,通过得到更适合大跨度平屋盖的分区界限改进了美国规范围护结构分区方法,考虑长宽比、跨高比、地貌类型三种变量,给出相应的风压系数极值用于围护结构抗风设计。
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