【摘 要】
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大跨度屋盖往往具有自重较轻、阻尼较小、频率较低等特点,属于风敏感结构,对于此类建筑的抗风设计成为了必不可少的一个环节。虽然国内外有许多研究者对大跨度建筑结构进行了相应的风荷载研究,但每年自然灾害中由风荷载引起建筑整体倒塌或局部破坏的例子数见不鲜。目前,许多研究中对大跨度结构形成较为系统的理论,也仅针对于结构形式较为简单结构而言,对于开敞式半月拱形大跨度屋盖结构,国内外规范并未对此类大跨度屋盖风荷载
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大跨度屋盖往往具有自重较轻、阻尼较小、频率较低等特点,属于风敏感结构,对于此类建筑的抗风设计成为了必不可少的一个环节。虽然国内外有许多研究者对大跨度建筑结构进行了相应的风荷载研究,但每年自然灾害中由风荷载引起建筑整体倒塌或局部破坏的例子数见不鲜。目前,许多研究中对大跨度结构形成较为系统的理论,也仅针对于结构形式较为简单结构而言,对于开敞式半月拱形大跨度屋盖结构,国内外规范并未对此类大跨度屋盖风荷载及风振系数做出相应设计取值建议,也尚未形成系统、成熟的理论体系。因此,本文基于刚性模型风洞试验对开敞式大跨度屋盖结构风荷载特性及风致响应进行分析,本文研究的工作及结论如下:(1)先后对大跨度屋盖结构风敏感区域进行有无开孔的刚性模型风洞试验,研究了屋盖开孔前后30°、60°最不利风向角及负压较大的90°风向角下屋盖各分区体型系数的变化,特别是开孔附近区域的体型系数变化。为了进一步研究其屋盖结构的受力机理,还分别对屋盖开孔前后上、下表面风荷载进行分析。研究表明:屋盖在30°、60°、90°风向角下,由于气流为逆坡面方向,在迎风处气流的分离作用较大,故负风压系数最大数值出现于屋盖上表面的迎风前缘位置,而屋盖下表面由于下部看台结构的阻挡,加速了气流的流动,抑制了气流在屋盖表面的分离,使得下表面呈现较小的正压。屋盖在风荷载敏感区域开孔后,对迎风前缘位置的风压有削弱作用,其最大削减率达53.5%。(2)基于风洞试验时程数据,分别对开孔前后屋盖表面风荷载的概率密度分布、屋盖上下表面风荷载的相关性、平行于来流方向、垂直于来流方向各测点间风荷载的相关性以及峰值因子与负风压极值进行了分析,并给出了非高斯区域划分标准。研究结果表明:开敞式大跨度屋盖风荷载非高斯特性主要集中在迎风前缘,是由于受到钝体效应的影响,使得该位置的非高斯脉冲信号强;对比分析开孔前后峰值因子及负极值风压可以看出,在屋盖开孔后迎风前缘位置的峰值因子增大,而负极值风压减小,其中分布于跨中屋盖孔口附近测点的负风压极值减小明显。(3)根据刚性模型风洞试验数据,对该开敞式大跨度体育场屋盖进行有限元模型的建立,利用ANSYS有限元软件对该仿真模型进行了风致响应时程计算,主要对3个风向角下屋盖有无开孔工况下的竖向位移均值、位移均方根以及加速度均方根进行了分析。研究表明:在大跨屋盖风敏感区域开孔不仅能减小屋盖表面风压,同时对位移均值,位移均方根和加速度均方根也有减小作用;但位移均方根和加速度均方根的减小效果没有位移均值效果显著。因此,在屋盖风敏感区域开孔使得风荷载及风致响应均有不同程度的减小,这对结构是有利的。
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