大跨度索结构的动力分析与回传波射矩阵法的应用

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本文的研究工作分为两部分。 第一部分:大跨度索结构的动力分析。大跨索膜张拉结构(如拉索屋面、拉索塔桅、悬索桥等)作为现代化的新兴结构已成为大跨空间结构的发展方向。这类柔性结构的一个显著特点是,索不具有弯曲刚度,结构对外荷载的抵抗是通过改变自身形状来实现的。所以结构的变形比较明显,而且结构刚度与变形相关,表现出明显的强几何非线性特点,此外这类屋盖结构的重量通常都比较轻。这些特点决定了张拉结构对风荷载的作用十分敏感,风是起决定性作用的外荷载。在风荷载作用下易产生较大的振动和变形,最易产生旋涡脱落共振响应和空气动力失稳,其中横风向振动是主要的振动方向。这类灾难国内外已发生多起,引起了国内外学者严重的注意。 鉴于这类结构风致动力响应问题的研究至今还十分薄弱,本文在前人工作的基础上对其进行了更深入的分析、研究和发展,具体内容包括在非线性结构的等效线性化、横风向旋涡脱落共振响应与空气动力失稳的规律和计算公式等方面,最终为实现工程的实用化打下基础。 建立了振动过程中的弹性模量修正公式(动力等效模量),即动力分析问题中的Ernst等效弹性模量修正公式(其在拉索屋面、悬索桥等索的静力位移修正中广泛使用),为非线性结构动力分析的等效线性化打下了理论基础。 在利用时程分析方法进行大量试算,并通过曲线拟合找出了线性结构与非线性结构之间横风向旋涡脱落共振时的风速差(或旋涡脱落周期差EA/L)与索截面特性△Ts的曲线关系,确定了非线性结构等效线性化后的频率或周期误差修正范围值。 深入分析了索穹顶结构的横风向旋涡脱落共振特性,以线性二力拉杆取代其中部分索单元,索垂度引起的非线性位移由作者建立的动力等效模量加以修正。 深入分析了索穹顶结构的空气动力失稳(横风向驰振)特性,以线性二力拉杆取代其中部分索单元,索垂度引起的非线性位移由作者首次建立的动力等效模量加以修正。 第二部分:回传波射矩阵法应用于突加位移梁的瞬态动力响应分析。回传波射矩阵法(MethodofReverberationMatrix)是近几年来由Y.H.Pao等人新发展的用波传播方法求杆系结构瞬时动力响应的解析方法。它先利用傅立叶变换,将波动方程变换到频率域中,以构件端点处离开波和到达波的振辐为基本未知量,其它响应以基本未知量表示。通过节点位移协调条件和力的平衡条件形成局部散射矩阵,组装成总体矩阵后求出基本未知量,然后利用传播矩阵就可以计算出构件中任一点处的波形,将该点处的所有波形叠加即可求出构件中该点处的位移及应变等瞬态响应解。 分析了单根铝梁和单根钢梁,假设其端点受突加横向位移,对于不同的放置位置(平放或竖放)、不同边界条件(简支或固支)分析了中点位移和中点上下表面弯曲应变。将回传波射矩阵法结果与Mindlin法结果进行对比,检验了回传波射矩阵法的正确性。对结构的动态弯曲应变比静态弯曲应变大得多的原因作了探讨。得出了一些对工程实际较有意义的结论。
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