大跨双坡屋盖结构等效静风荷载参数分析

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分析复杂大跨度屋盖结构的风荷载特性及抗风设计

2018年第3期时代农机TIMES AGRICULTURAL MACHINERY第45卷第3期Vol.45No.32018年3月Mar.2018作者简介：陈晨（1992-），女，吉林松原人，硕士研究生，主要研究方向：结构风工程。

分析复杂大跨度屋盖结构的风荷载特性及抗风设计陈晨(,130600)摘要：针对目前复杂大跨度屋盖结构的抗风设计存在的局限问题，文章从实践角度出发，分析了大跨度屋盖结构所处的复杂环境与抗风设计问题，并在明确风荷载特性的情况下对抗风设计进行了优化控制，为相关建设者提供一些理论依据。

关键词：复杂大跨度；屋盖结构；风荷载特性；抗风设计经济水平的不断提升，使人们对大跨度屋盖结构工程的建设效果不仅仅停留在安全可靠，还要具备一定的美观效果。

而抗风设计的复杂性，降低了建筑目标的实现效率。

为此，工程建设者应从实践角度出发，即在明确抗风设计局限的基础上对风荷载特性进行分析，以提高抗风设计策略的有效性。

1研究复杂大跨度屋盖结构风荷载特性及抗风设计的现实意义当前阶段，对于大跨度屋盖结构建造来说，会受到风荷载特性的影响，而降低抗风设计的科学有效性。

再加上，经济水平的不断提升，使人们对建筑物建设使用的美观性需求越来越高。

此工程建设背景下，就在很大程度上增加了复杂大跨度屋盖结构设计工作量，即需综合考虑多方面因素来强化屋盖结构设计合理性。

为提高复杂大跨度屋盖结构设计的有效性，相关人员应对当前已建工程的屋盖结构抗风设计情况进行分析，即在明确抗风设计局限问题的基础上，结合风荷载特性的影响从而控制实践高效的抗风设计策略。

2复杂大跨度屋盖结构的抗风设计局限研究表明，复杂大跨度屋盖结构的抗风设计在风荷载的作用下，需要对基本风压值进行计算，进而确定建筑物建设使用的抗风设防标准。

现阶段，复杂大跨度屋盖结构的抗震设计已经有相关的规范标准进行质量效果控制，但抗风设计的分析还处在单一的抗风设防标准上。

而且，屋盖结构的抗风设计还会受到不断变化的结构参数影响，而降低抗风设计的效果。

钢结构大跨度屋盖系统的分析及统计数据

钢结构大跨度屋盖系统的分析及统计数据我们对钢结构大跨度屋盖系统最常采用的主要受力形式一般分为:1、梁2、平面桁架3、空间网架4、空间桁架5、张拉弦结构由于对造价非常敏感的一般为常规建筑,对于超大跨度的建筑由于甲方可参考结构很少,所以一般对造价并不太敏感,我们把跨度范围锁定在18~36m范围内。

虽然按照力学原则梁系结构受力性能不如平面桁架,平面桁架受力性能不如空间桁架,空间桁架不如带预应力的张拉弦结构,但由于加工水平不同,对结构本身的研究深度不同,所采用的计算假定不同,用钢量却反了过来。

加工的复杂程度、施工的复杂程度,要求精度是从梁系结构到张拉弦结构越来越难。

综合以上因素,门式刚架项目及施工企业遍地开花,几乎把屋架类的平面桁架,挤出了历史的舞台,而网架、空间桁架等,退居跨度非常大,屋面刚度或外观有特别要求的公共建筑方面。

1、分析比较下面我们用大量的例子做数据分析比较,讨论一下各种类别结构在含钢量,加工难度上的优缺点。

(由于空桁、张拉弦加工,施工难度很大,工程经验不丰富,暂不在本次考虑之内)为了便于比较,外部荷载采用统一的标准,按一种最常见荷载情况,风荷载采用0.45kN/m2,雪荷载采用0.45kN/m2,未注明柱距采用7.5m屋架类平面桁架1、含钢量(第一排为跨度,第二排为含钢量单位kg/m2,第三排为考虑支撑后的含钢量)柱距为7.5m18m 21m 24m 27m 30m 33m 36m6.97.78.99.8 10.9 12.1 13.914.1 14.9 16.1 17 18.1 19.3 21.1根据双跨,24x180x7.5m厂房计算支撑系统,含钢量7.2kg/m2。

支撑系统跟柱距,跨度关系不太大。

上表统一按7.2kg/m2考虑,可见由于平面桁架力学模型占优,单从主构上含钢量是相当占优势的。

但由于计算假定,计算理论的落后,严重影响了整体的含钢量,经计算发现支撑系统,所占的含钢量非常大,综合在一起一下就超过了门式刚架的含钢量。

大跨屋盖结构抗风类型划分方法及应用

大跨屋盖结构抗风类型划分方法及应用陈波;杨庆山;武岳【摘要】根据风振响应中平均响应、背景响应和共振响应之间的关系,初步提出划分结构抗风类型的思想,将大跨屋盖结构分为4类抗风类型,并给出具体的划分方案,以简化风振响应和等效静风荷载的分析过程.在此基础上,以拱作为研究对象,在工程常用的参数范围内,通过风洞试验,确定屋面风荷载,对矢跨比分别为1/8和1/4的大跨拱结构的抗风类型进行系统的参数分析,研究风荷载基本参数和结构参数(矢跨比、跨度、结构截面刚度和屋面质量)对拱结构抗风类型的影响.分析结果表明:基频小于4Hz的绝大多数拱结构,脉动风响应明显大于平均风响应,脉动风响应不可忽略,属于背景响应可以忽略、共振响应占主导地位的结构抗风类型.%According to the relationship among the mean response, background response and resonant response of wind-induced response, an idea is advised to classify long-span roof structures into four wind-resistant types, and the detailed classification criterions are developed. Systematic parameter analysis of wind-resistant types of long-span arch structures is performed with the presented method in this paper, by considering some parameters of wind loading and arch structures, such as mean wind velocity, roof mass, rise-span ratio and section properties of the arch, where wind pressure loads are obtained by wind tunnel test. The results show that: the parameters of the wind loads and the structure have important effect on structural response for long-span arch structures. The fluctuating wind-induced response can't be ignored, and most arch structures, whose first naturalfrequencies are lower than 4Hz, belong to the wind-resistant type that resonant response is more predominant than background response.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2011(035)004【总页数】7页(P66-72)【关键词】大跨屋盖结构;拱;风荷载;风振响应;等效静风荷载【作者】陈波;杨庆山;武岳【作者单位】北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨150090【正文语种】中文【中图分类】TU393.3大跨屋盖结构对风荷载的作用较为敏感，风荷载成为该类结构设计的控制性荷载之一.该类结构的屋面脉动风荷载常常需要通过风洞试验确定，且风振响应一般具有多振型参与结构振动的特点.如何精确地计算大跨屋盖结构风振响应和等效静风荷载，国内外学者已经开展了大量的研究工作[1-4]，但其研究成果还未纳入建筑结构荷载规范，这一现状与分析方法和分析过程的复杂性，以及如何以便于结构设计师使用的形式表示等问题密切相关.风荷载可以分为平均风和脉动风两部分，脉动风对结构的作用又可以分为背景响应和共振响应[5]，结构响应谱可分为两部分，其中一部分形状与风压谱形状相同，体现了脉动风的准静力作用，被称之为背景响应，而在结构自振频率附近的响应谱尖峰体现了因结构惯性力产生的动力放大效应，被称之为共振响应.与此对应，这两部分响应分量所对应的等效静风荷载称之为背景分量和共振分量.与风振响应特征对应，文献[3-4]将大跨屋盖结构的等效静风荷载分为平均分量、背景分量和共振分量，背景分量分析采用荷载响应相关系数法(LRC法)[6-7]，共振分量考虑了风振响应中多振型参与振动的特点，将其表示为多阶惯性力的组合.这一方法适用于常见的线性结构体系，但其分析过程较为复杂.实际上，可以根据风荷载特性和结构特性，对风振响应和等效静风荷载的分析方法进行简化，如对一些刚度较大的结构，可能不需要考虑脉动风效应或者不需要考虑脉动风中的共振响应，此时，只需要考虑平均分量，或者考虑平均分量和背景分量.文献[8]提出将结构分为小型静力结构、中型静力结构、大型静力结构和动力结构.文献[9]指出高层结构自振频率大于1 Hz时，可以忽略脉动风效应.文献[10]指出基频小于4H z，高度大于30 m，且高宽比大于1.5的高层结构均应考虑脉动风荷载对顺风向风振响应的影响.但是这些规定主要是针对高层结构，是否适用于大跨屋盖结构值得商榷.大跨屋盖结构风振响应特性与高层结构迥然不同，是否可以忽略脉动风响应，或者忽略脉动风响应中的背景分量或共振分量，需要采用更精细化的方法进行深入分析，给出具体的划分标准，从而达到简化该类结构等效静风荷载分析过程的目标.基于此，本文作者提出根据风振响应中平均响应、背景响应和共振响应之间的相对关系，将大跨屋盖结构分为若干类结构抗风类型，在此基础上，采用该方法对大跨拱结构抗风类型进行研究.结构的抗风分析包括确定风荷载、风振响应分析和等效静风荷载计算等3个主要过程.1)对于形体复杂的大跨屋盖结构，主要依靠风洞试验确定风荷载.当需要考虑脉动风效应时，常常需要进行同步测压试验，反之，则只需测定平均风压系数.此时可以在屋面分批分次地进行测压试验，对风洞试验中测压系统的技术要求较低.2)风振响应分析过程中，对于一些复杂结构，需要采用一些精细化方法，同时考虑平均响应、背景响应和共振响应，如Ritz-POD法[2]或三分量分析方法，将风振响应分为平均响应、背景响应和共振响应等3个分量.当采用风振响应三分量的分析方法时，脉动风响应可表示为结构风振极值响应可表示为式中、σy分别表示平均风响应和脉动风均方根响应;σb、σr分别表示背景响应和共振响应;g表示峰值因子，一般在3～5之间.但对于一些刚度较大的简单结构，风振响应分析过程可以简化，可仅考虑平均风响应，或者当需要考虑脉动效应时，可直接采用准静力方法.3)等效静风荷载计算包括平均分量、背景分量和共振分量，可表示为式中:P eb、W b分别表示等效静风荷载背景分量及相应的权重因子;P ej、W j分别表示等效静风荷载共振分量中第j阶振型分量及权重因子;¯F表示平均风荷载.在具体分析过程中，根据是否可以忽略脉动风响应，或脉动风响应中的背景响应或共振响应，对等效静风荷载计算过程进行简化.综合抗风分析的3个主要过程可知:根据平均风响应、背景响应和共振响应的相对大小，可以判断是否能够忽略脉动风响应，或者脉动风响应中的背景响应或共振响应.若能给出忽略各分量响应的具体条件，则在实际工程应用中，使确定风荷载、风振响应分析和等效静风荷载的计算过程简化.因此，根据平均响应、背景响应和共振响应之间的大小关系，可划分结构抗风类型，从而达到简化部分结构抗风分析过程的目的.在结构抗风类型划分过程中，主要考虑两个层次上的关系，即:与平均风响应相比，是否需要考虑脉动风的响应;若需要考虑脉动风响应，是否需要考虑背景响应或者共振响应.层次1:脉动风响应与平均风响应的关系.当脉动风响应小于平均风响应的10%时，可以认为脉动风可以忽略不计，即满足层次2:共振响应与背景响应的关系.在提出具体的结构抗风类型划分标准前，先根据式(1)给出的背景响应和共振响应组合方法，确定背景响应或共振响应可以忽略的条件.假设不考虑某一响应分量的影响所引起的误差小于10%，则该响应分量可以忽略不计，根据式(1)，有式中:a、b分别表示风振响应的背景响应或共振响应相当于式(1)表示的结构脉动风响应.式(5)和式(6)间的误差为0.56%.式(4)和式(5)中的误差取为10%，是综合考虑了工程应用方便性和计算精度，具有一定的经验性.脉动风效应与平均风响应组合得到总风效应(见式(2))，且在结构承载能力极限状态设计和正常使用极限状态验算阶段，风效应应与恒荷载和其他活荷载效应进行荷载工况组合.因此，式(4)和式(5)所引存在的误差导致结构设计阶段的最大效应组合值计算误差将明显小于10%，可认为是能够满足工程精度要求.此外，可以用Davenport所提出等效静风荷载中的阵风荷载因子[5](类似于中国建筑结构荷载规范的风振系数)，间接地描述平均风效应、背景响应和共振响应间的相对关系，阵风荷载因子为式中表示忽略结构动力放大作用的极值风响应;βs为阵风效应因子，不考虑结构动力放大作用时体现风荷载的阵风效应，与《建筑结构荷载规范》中的阵风系数相似;βd为动力放大系数，主要体现结构的动力放大作用.这样，平均风效应、背景响应和共振响应间的相对关系可以用具有明显物理含义的阵风荷载因子G、阵风效应因子βs和动力放大系数βd描述.基于两个层次的考虑，本文作者提出了根据风振响应中平均响应、背景响应和共振响应的相对大小，将大跨屋盖结构抗风类型分为Ⅰ～Ⅳ类:Ⅰ类结构.这类结构的特点是刚度较大，且屋盖表面的脉动风压成分较小，满足式(4)，此时结构的脉动风响应较平均风响应可以忽略不计，阵风荷载因子 G较小，风效应分析以及等效静风荷载只需要考虑平均风荷载.Ⅱ类结构.这类结构的特点是刚度较大，与Ⅰ类结构的主要区别在于脉动风响应不可忽略，且脉动风响应以背景响应为主，阵风效应明显(βs较大)，但是动力放大系数βd较小.背景响应与共振响应间的比值大于2，此时按照式(5)，共振响应的影响可以近似忽略，风振响应只需考虑平均响应和背景响应，即等效静风荷载也只需考虑平均分量和背景分量Ⅲ类结构.这类结构的刚度介于Ⅱ类和Ⅳ类之间，需要同时考虑结构的背景响应和共振响应，等效静风荷载则需要同时考虑平均分量、背景分量和共振分量.风振响应分析需要按照式(2)分析，等效静风荷载需要按照式(3)计算.Ⅳ类结构.这类结构的特点是刚度较小，脉动风响应较大，且脉动风响应以共振响应为主，阵风效应明显，且动力放大系数βd较大.共振响应与背景响应间的比值大于2，此时按照式(5)，背景响应的影响可以近似忽略，风振响应分析只需考虑平均响应和共振响应，即等效静风荷载以只需考虑平均分量和共振分量图1给出了代表3类不同抗风类型结构的响应谱特征，分别是国家体育场、某拱结构和某单层球面网壳结构的一个节点竖向位移响应谱.从图1可以看出:对于Ⅱ类结构，结构自振频率附近的响应谱明显低于低频位置的响应谱;对于Ⅲ类结构，自振频率处的响应谱峰值明显，但峰值大小及附近的面积(包围的面积大小就是均方响应)与低频响应成分处于同一数量级;对于Ⅳ类结构，结构自振频率附近的响应峰值十分明显，而且峰值大小及附近的面积远大于低频响应成分.上述结构分类方法是基于风振响应中平均响应、背景响应和共振响应的相对大小，不便于工程应用.在研究过程中，应建立结构抗风类型与脉动风荷载、结构的基本几何参数或结构动力参数之间的直接联系，这样结构工程师只需通过风荷载和结构基本参数，就可确定结构抗风类型，进一步选择相应的抗风分析方法，从而简化部分结构的抗风分析.影响风振响应中3个响应分量相对大小的主要因素包括屋面风荷载的分布特征和结构刚度的大小.对于某一具体结构形式，屋面风荷载分布特征相似，结构的基频能够较好地反映结构的刚度和动力特性.因此，针对某一类型结构，可以通过参数化研究，根据风荷载基本参数(如平均风速)和结构基频，划分结构抗风类型.研究结构抗风类型划分的关键是大规模计算结构风振响应，分析风振响应随各参数的变化规律.平均风荷载下的平均响应可以直接采用静力方法进行计算.背景响应是反映脉动风荷载的准静力效应，采用准静力方法计算将更为高效.在脉动风荷载作用下，t时刻的背景响应可表示为式中:{i r}表示该响应的影响线函数;{P(t)}表示脉动风荷载向量.ij、pj(t)分别表示{i r}和{P(t)}的第j个元素;N表示结构的总自由度数.根据式(14)，可以将背景响应的功率谱表示为式中:Spjpk(n)表示 j，k自由度两方向间脉动风荷载的互谱密度.根据式(15)，背景响应均方根为共振响应可采用振型分解法计算，其主要贡献振型可以根据文献[2]所述方法进行选择.共振响应的功率谱矩阵可表示为式中:{ψ}j和{ψ}k分别表示{ψ}的第 j阶和第k阶振型;表示第 j阶与第k阶振型广义力互功率谱;Hk(n)表示频响传递函数表示振型广义坐标响应谱密度是H j(n)的共轭复数.对式(17)进行积分，便得到第 i自由度的共振响应均方根值根据第1节所述结构抗风分类方法，以拱结构作为研究对象，研究风振响应随风荷载参数和结构参数的变化特性，并对拱结构的抗风类型进行分类.拱结构作为大跨度屋盖结构的一种基本结构形式，可以看作两边支承柱面网壳或者拱桁架的简化模型，在实际工程中应用较为广泛.图2为所分析的拱结构模型，两支点为固定铰支座.其中，h0为檐口高度;f为拱的矢高;L为拱的跨度.将拱模型均匀地划分为20个节点和20个单元，其编号从左侧到右侧按顺序依次增大.为确定拱形屋面的风荷载，进行了矢跨比分别为1/8和1/4的柱面屋盖结构刚性模型同步测压试验.风洞试验在长安大学大气边界层风洞进行，试验段高2.5 m，宽3.0m，长 15m.拱结构原型的跨度L=80m，檐口高度h0=20m.试验模型几何比例为1∶100，屋面共布置204个测压点，按B类地貌进行同步测压试验，采样频率为312.5 Hz，可以获取屋面平均压力和脉动压力，以用于结构风振响应分析.图3和图4分别给出了B类地貌条件下，矢跨比为1/8和1/4的柱面结构的风洞试验结果，风压系数参考点为离地面10m高度处.假定拱位于试验模型长边方向的中间位置，如图3(a)所示的1-1剖面位置，根据柱面风洞试验结果就可以确定图2所示拱结构的平均风荷载和脉动风荷载，用于风振响应分析.当风向为图3所示的方向时，对结构较为不利.拱结构的参数设计符合工程设计要求、并覆盖工程常用应用范围的原则.拱的截面尺寸根据跨度、矢跨比和拱的间距确定，满足变形和承载力要求，文中所有参数均在常用范围内选取，考虑主要参数变化.每榀拱之间的间距为6 m.结构矢跨比对结构动力特性和风荷载影响较大;屋面质量对结构动力特性有较大影响，在矢跨比一定的条件下，改变结构跨度和屋面质量对结构动力特性的影响相似，因此，着重考虑屋面质量的变化.1)结构跨度.跨度 L取 80m和40 m两种.该类屋面近似为钝体，其屋面风压主要受特征湍流控制，因此，同一次风洞试验的脉动风压系数适用于不同跨度、但几何形状完全相同的拱结构.2)矢跨比.矢跨比是影响拱结构力学特性的重要参数，而且直接影响屋面风荷载的分布特征，根据开展的风洞实验，屋盖矢跨比f/L分别取1/8和1/4.3)屋面质量.屋面质量(不包括拱构件自重)分别考虑了10 kg/m2、60 kg/m2和100 kg/m2共3种情况.当平均风速为30 m/s时，还增加了30 kg/m2和150kg/m2两种情况.4)截面类型.主要考虑了4种截面刚度:截面1，面积为0.011m2，惯性矩为0.000 244 m4，截面高度为400mm;截面 2，面积为 0.021 m2，惯性矩为0.00195m4，截面高度为800 mm;截面 3，面积为0.032 m2，惯性矩为0.006 59 m4，截面高度为1 200mm;截面 4，面积为 0.043 m2，惯性矩为0.015 60 m4，截面高度为1 600mm.结构跨度为40 m时，分别取截面1、截面2和截面3;跨度为80 m时，分别取截面2、截面3和截面4.在矢跨比、屋面质量和截面变化范围内，结构的基频在0.4～7.0Hz之间变化，涵盖了较大范围.5)平均风速.考虑的平均风速分别为25m/s、30 m/s、35m/s和40m/s.对应的基本风压在0.4～1.0 kN/m2范围变化.考虑以上各参数的变化，共分析了168个拱结构的风振响应.在参数变化范围内，按照第1.3节的风振响应三分量频域分析方法对大跨拱结构的风振响应进行系统的参数分析.结果表明，所有拱结构的极值响应与平均风响应之比均大于2，没有出现结构抗风为Ⅰ类的情况.因此将着重研究背景响应与共振响应间的比值随风荷载参数和结构参数的变化规律.因各点位移及各单元应力的背景响应和共振响应间比值存在一定差别，定义针对整个结构的背景响应与共振响应间比值，即式中表示第i个节点位移或者第i个单元的背景响应和共振响应间比值.对于跨度 L=80m、矢跨比 f/L=1/8、第4种截面、屋面质量为60 kg/m2、平均风速为30 m/s的拱结构，图5分别给出了竖向位移和杆件内力中背景响应与共振响应间比值的分布特征.可以看出:根据位移响应和单元应力计算的针对整个结构的背景响应与共振响应的比值较为近似;不同节点间的位移背景响应与共振响应比值较为近似.因此，选取针对整个结构竖向位移响应的背景响应与共振响应的比值作为划分结构抗风类型的响应指标.图6给出了屋面恒荷载为60 kg/m2，不同矢跨比、不同跨度和不同平均风速条件下，背景响应与共振响应间比值的变化规律.可以看出:背景响应与共振响应间的比值，基本呈现随着平均风速的增大，比值逐渐减小的总体变化趋势，但波动幅度较小.图7给出了跨度 L=80 m、矢跨比 f/L=1/4、V0=30 m/s，不断改变拱截面和屋面质量时，背景响应与共振响应比值的变化情况.图7中所呈现的基本趋势是:随着屋面质量的增大，截面刚度的减小，结构刚度变柔，基本呈现背景响应与共振响应间的比值也逐渐减小的总体变化趋势.通过参数化研究可知:影响背景响应与共振响应间比值的主要因素是风速和结构特性;风速越大，背景响应与共振响应间的比值呈现减小的趋势，但变化幅度不大;矢跨比越大、截面刚度越小、屋面质量越大时，拱结构自振频率越小时，背景响应与共振响应间比值呈现逐渐减小的趋势.风速是体现荷载特性的重要参数.跨度、矢跨比、截面刚度和屋面质量是影响结构动力特性的主要参数，可用结构的第1阶自振频率(基频)综合反映这几个影响因素的共同影响.为此，以第2.4节的参数分析结果为基础.图8给出了在不同设计基本风速条件下，背景响应与共振响应间的比值与结构自振频率的变化规律.从图8可以看出:基频小于4 Hz，且背景响应与共振响应之比小于0.5的绝大多数拱结构都属于脉动风响应不可忽略，背景响应可以忽略，共振响应占主导地位的Ⅳ类结构.结构抗风类型的划分方法，在工程应用时，可以采用式(12)和式(13)这一简化方法计算结构风振响应和等效静风荷载，忽略风振响应和等效静风荷载的背景分量，使抗风分析过程得以简化.1)在研究确定风荷载、风振响应分析和计算等效静风荷载等过程的基础上，初步提出了划分大跨屋盖结构抗风类型的思想，并给出了具体划分方法，能够有效地简化抗风分析过程.2)对于大跨拱结构，风荷载基本参数和结构参数对结构风振响应特性都有较大影响，基频小于4 Hz的绝大部分拱结构属于脉动风响应不可忽略，背景响应可以忽略、共振响应占主导地位的Ⅳ类结构.【相关文献】[1]M asanao Nakayama，Yasuhito Sasaki，Keiji M asuda.An efficientmethod forselectionof vibrationmodes contributory to wind responseon dome-like roofs[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynam ics，1998，73:31-43.[2]Chen Bo，Wu Yue，Shen Shizhao.A new method for wind-induced response analysis of long span roofs[J].International Journal of Space Structures，2006，21(2):93-101.[3]陈波，杨庆山，武岳.大跨空间结构的多目标等效静风荷载分析方法[J].土木工程学报，2010，43(3):62-67.CHEN Bo，YANG Qingshan，WU Yue.Multi-objective equivalent static wind loads forlarge-span structures[J].China Civil Engineering Journal，2010 ，43(3):62-67.(in Chinese) [4]顾明，周暄毅.大跨度屋盖结构等效静力风荷载方法及应用[J].建筑结构学报，2007，28(1):125-129.GU Ming，ZHOU Xuanyi.Equivalent static wind loads of large-span roofstructure[J].Journal of Building Structures，2007 ，28(1):125-129.(in Chinese)[5]Davenport A G.Gust loading factors[J].Journal of the Structural Division，1967，93(ST3):11-34.[6]Holmes JD.Effective static load distributions in wind engineering[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynam ics，2002(90):91-109.[7]Kasperski M.Extreme wind load distributions for linear and nonlineardesign[J].Eng.Struct，1992，14:37-34.[8]Harris R I.The classification of structures for assessment and codification of w ind effects[C]∥Wind Engineering:Proceedings of the Fifth International Conference，Colorado，USA，1982，2:1257-1269.[9]ASCE 7-05，Minimum design loads for buildings and other structures[S].American Society of Civil Engineers，2006.[10]GB 5009-2001，建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2006.GB 5009-2001，Load code for the design ofbuilding structures[S].Beijing:China Architecture and Building Press，2006.(in Chinese)。

大跨度房屋钢结构设计与分析

大跨度房屋钢结构设计与分析摘要：当今社会经济飞速发展,人民生活水平日益提高,世界各国纷纷筹划建造更大、更高、更长的各种超大型复杂结构物。

来满足人们对生活空间的追求。

大跨度房屋钢结构设计是经济和社会发展的需要。

本文介绍了大跨度钢结构设计的现状和大跨度房屋主要的钢结构划分，分析了大跨度房屋钢结构的设计要点。

关键词：大跨度，房屋，钢结构，设计要点引言与其他材料的结构相比,钢结构具有材料强度高、结构重量轻;结构的塑性韧性较好;钢结构的制造简单施工周期短等优点。

我们在进行钢结构设计时,应当从工程实际出发,合理选用钢材,选择高强度、具有较好经济指标的钢材;在结构方案选择上,应尽可能采用标准化、模数化的结构布置;在连接设计中,应选用构造简单、传力直接的节点形式,并应满足构造要求;另外,在钢结构设计中,还应保证钢结构在加工、运输、安装和使用过程中的强度、刚度和稳定性要求,并应针对钢结构的实际,满足防火、防腐的要求。

宜优先选用通用的和标准化的结构和构件,减少制作、安装工作量。

一、大跨度钢结构设计的现状与设计其他形式的钢结构一样，大跨度钢结构设计主要解决结构体系设计、构件设计及连接节点设计等方面的内容。

与其他形式钢结构不一样的是，大跨度钢结构体系几何与材料非线性影响突出，延性性能成为其体系、构件、节点的安全控制因素。

在工程实践中，设计技术人员迫切需要设计规范提供明确的大跨度钢结构计算分析理论与设计方法、与现代计算技术相应的工程实用计算软件以及明确的结构承载力与变形能力安全控制指标。

我国现行钢结构及相关设计规范( 程) 对体系、构件及连接节点等三个层次设计的现状可简单总结如下:1、在计算理论与设计方法方面，现行钢结构及相关设计规范( 程) 对计算理论与方法的规定，相当程度是基于手算或平面简化计算技术，对于空间受力的大跨度钢结构体系缺乏适应性。

此外现行钢结构及相关设计规范( 程) 对连接设计有计算公式，对节点设计缺乏明确的计算理论和方法。

悬臂弧形挑篷风荷载和等效静风荷载研究

第一章绪论１．１．２大跨度屋盖结构给风工程研究带来的严峻课题尽管工程界对结构风荷载的研究达到了非常高的重视，风灾仍然发生的频率很高、次生的灾难很大、带来的影响范围非常广泛。

表】１所列的是１９５０～１９９９年全球（特火型）重大自然灾害统计数据，可以看到风灾是自然灾害中影响最大的一种，给人类带来了巨大的生命和财产威胁。

表１１１９５０至１９９９年全球（特大型）重大自然灾害统计数据灾难种类地震风灾洪水其他台计灾难次数（次）６８８９６３１４２３４死亡人数（百万人）Ｏ，６６０．６３０．１Ｏ．Ｏｌ】．４经济损失（亿美元）３３６０２６８８２８８０６７２９６００保险损失（亿美元）２５４６８７８５８４１１１０在风灾肆虐的同时，人类用勤劳和智慧不断地发展现代文明。

大跨度屋盖结构由于建筑美学的提升和能够提供宽大的空闻等优势被广泛应用到重要的公共建筑中。

图１．１为２００２年韩日世界杯足球赛中的部分体育场建筑，可以看到悬臂挑篷凭借其风格明快的建筑外形、结构轻盈材料节省的优势在大跨度屋盖结构中占有重要地位。

在建筑形式上的特征使得悬臂挑篷柔度较大并且阻尼较小，这样的结构形式由于基频和风的卓越频率接近，必然对风荷载十分敏感。

（ａ）韩国水原世界杯露天体育场（ｂ）韩国西归浦济州体育场（ｃ）韩国光州世界杯露天体育场（ｂ）韩国全州世界杯体育场同济大学博七学位论文（ｅ）日本宫城世界杯体育场（ｂ）日本大阪世界杯体育场图１１２００２年韩日世界杯足球赛的部分体育场建毓图１．２和图１．３显示的是两个大跨度屋盖（英国某悬挑屋盖和苏卅Ｉ体育场屋盖）在风荷载下破坏的情况。

大跨度屋盖结构受风灾破坏的实例还有很多，如１９８８年８月８日“８８０７”号台风造成杭州笕桥机场航站楼、杭州市体育馆屋顶严重破坏：１９９４年８月１５日“９４１７”号台风在浙江温州登陆，造成温州机场屋盖严重受损等。

可以看到大跨度的屋盖结构对风荷载非常敏感，在建造这类结构之前如果对其表面风荷载分布特征及风致振动问题没有研究透彻，极易带来结构安全性方面的隐患。

大跨屋盖围护结构风荷载极值及其不确定性

摘要大跨屋盖结构跨度大、质量轻和柔度大，通常其结构表面绕流、结构-空气动力相互作用机理复杂，易在强风作用下发生破坏。

相对于主体结构而言，围护结构的风致破坏更为常见。

恰当而合理的围护结构设计风荷载是保证围护结构抗风性能的前提，其大小取决于结构表面具有一定保证率的极值风荷载。

风洞试验方法是获得围护结构极值风荷载的常用方法，从理论上说，无穷多次独立重复风洞采样可获得极值的真值。

而在围护结构风荷载的风洞试验中，通常采样的次数有限，采样的时长亦有限，因此围护结构设计风荷载基于极值概率统计模型采用概率统计方法获得。

合理的极值概率模型是预测围护结构极值风荷载的先决条件。

本文以大跨度平屋盖为研究对象，从屋盖表面风压的分布规律、表面风压极值的概率统计模型和不确定性入手，为大跨屋盖围护结构风压极值估计和不同极值估计方法的校准提供一个基于可靠度的评价机制。

本文主要进行了以下几个方面的工作：（1）大跨平屋盖表面风压特性研究。

本文对大跨平屋盖结构进行了缩尺比为1:200的刚性模型风洞测压试验，依据单次采样的结果，对结构表面的平均风压系数、脉动风压系数、极值风压系数以及块风压系数的分布规律进行了系统的研究，得出了大跨平屋盖结构表面风压分布的一些基本的分布规律。

（2）大跨平屋盖表面风压的概率统计模型及其不确定性研究。

本文依据大跨平屋盖结构的多次独立重复的缩尺刚性模型风洞测压试验结果，基于变异系数对可靠度的影响，确定了测点体型系数、极值风压系数，分块体型系数、极值风压系数的风洞试验采样次数标准；基于经典极值分布，对测点和分块极值风压系数进行了概率分布拟合，确定了对应的最佳拟合分布；基于拟合的极值分布，分析了不同的参数估计方法和极值分位数的选取对风压系数极值估计的影响。

（3）大跨平屋盖风压极值估计方法的比较及校准。

本文采用几种常用的极值估计方法：峰值因子法、阵风系数法、短时分段极值估计方法、多区组的经典极值估计方法、基于二阶矩可靠度理论的风压极值估计方法进行了大跨平屋盖风压极值的估计，比较了几种方法的极值估计结果差异，以基于二阶矩可靠度理论的风压极值估计方法的结果为基准，校准了几种常用方法，提出了相应的修正因子，推荐工程应用。

大跨屋盖结构风荷载特性研究共3篇

大跨屋盖结构风荷载特性研究共3篇大跨屋盖结构风荷载特性研究1大跨屋盖结构风荷载特性研究随着现代建筑技术的不断发展，越来越多的大跨屋盖结构被应用于大型体育馆、会展中心等场馆中。

这些结构具有体积大、构造复杂、自重大的特点，同时还需考虑极端气象条件下的风荷载对其安全性的影响。

因此，对于大跨屋盖结构风荷载特性的研究具有重要的意义。

风是大跨屋盖结构最常见的外部荷载之一，因此研究大跨屋盖结构的风荷载特性是极其必要的。

在研究大跨屋盖结构的风荷载特性时，要考虑以下三个方面。

首先，气象条件是影响风荷载特性的关键因素之一。

气象条件包括气温、湿度、大气压力、风向、风速等因素。

不同的气象条件会对大跨屋盖结构的风荷载产生不同的影响。

例如，在高温、低湿度的气象条件下，大气密度较小，风荷载的大小也会明显减小。

而在低温、高湿度的气象条件下，大气密度较大，风荷载的大小则会明显增加。

其次，大跨屋盖结构的形状大小和材料是影响风荷载特性的重要因素之二。

结构的形状和大小决定了大跨屋盖结构的面积和体积，从而影响了结构的自重和风荷载的大小。

例如，在相同的风速下，一个球形的屋盖结构所受到的风荷载显然要小于一个平面的屋盖结构。

而材料的选择直接影响了结构的刚度、强度和稳定性，从而影响了风荷载的分布和大小。

最后，大跨屋盖结构的支座方式是影响风荷载特性的第三个因素。

不同的支座方式会影响结构的倾斜度和位移，从而影响结构的稳定性和安全性。

为了保证结构的稳定性和安全，支座的刚度和强度必须要足够大。

总之，大跨屋盖结构风荷载特性的研究是一项复杂而又必要的工作。

需要综合考虑气象条件、结构的形状、大小和材料，以及支座方式对其所受风荷载的影响。

只有通过全面深入的研究，才能更好地保证大跨屋盖结构的安全稳定性综上所述，大跨屋盖结构的风荷载特性与多个因素相关，包括气象条件、结构的形状、大小和材料，以及支座方式等。

在设计和建造大跨屋盖结构时，必须综合考虑这些因素，以确保其稳定性和安全性。

某大跨屋盖结构风洞试验及分析

某大跨屋盖结构风洞试验及分析摘要：通过某大跨屋盖结构的风洞试验分析,得到了大跨度屋盖的风压变化规律。

考虑36种风向角作用，找出4种最不利荷载工况，得到结构的风荷载分区及取值建议，为设计提供风压数据参考。

分析表明，1#~4#馆整体屋盖中间区域风压系数较小，边缘区域风压系数较大，连廊部分风压系数均较大，维护结构风压系数最大。

故对屋面结构进行抗风设计时，应对屋盖进行合理的分区，不同区域采用不同的抗风措施；由于维护结构局部风压系数很大，故在维护结构设计中应予以加强。

关键词：大跨屋盖;风洞试验;平均风压；极值风压0 引言近年，由于建筑造型多样化、复杂化以及建筑空间的大跨度要求，轻型大跨空间结构得到广泛的应用，特别是在体育馆、大型展览馆、机场航站楼和火车站等建筑领域尤为突出。

但是由于其具有跨度大、质量轻、结构柔等特点，使其风敏感程度大幅度增加。

国内建筑荷载设计标准对风荷载的分布以及风振系数的计算仍然不够完善，因此对大跨屋盖结构进行风洞试验，获取其风压分布特性以及进行更加合理的风振响应分析，显得尤为重要[1]。

风洞试验[2]，是实验研究工程问题的一种方法。

它是依据运动的相对性原理，将试验原型同比缩小的模型固定在风洞中，人为制造气流流过，获取各测试点的试验数据，并以此寻找出工程问题的解决方案。

建筑风洞试验是对于外形比较复杂的风致敏感建筑，现行荷载规范中没有可供借鉴的体型系数，采用一定比例缩小的刚性模型，研究风荷载对于建筑的荷载作用。

本文以临朐国际会展中心项目为工程背景，通过风洞试验分析，得到了大跨度屋盖的风压变化规律。

考虑4种最不利荷载工况及4种风向角作用，得到结构的风荷载分区及取值建议，为设计提供风压数据参考，并对特殊部位提供设计加强建议。

1 工程概况临朐国际会展中心坐落于山东省潍坊市临朐县东城街道。

该项目总建筑面积为10.17万平方米。

展馆结构形式为钢筋混凝土框架-支撑结构+大跨度空间钢结构屋盖，建筑总高度32.2m，展厅屋盖横向跨度72.0m，呈南高北低的弧形造型，横向主受力构件采用了倒三角形空间管桁架。

大跨平坡屋盖风荷载折减的移动平均法

大跨平坡屋盖风荷载折减的移动平均法祝志文;程国用【摘要】根据大跨平坡屋盖脉动风压相干函数导出气动导纳函数,将气动导纳函数与滑动平均滤波器按照截止频率相等的原则进行等效匹配,推导出适用于大跨平坡屋盖风荷载折减的移动平均法.基于某博物馆大跨平坡屋盖风洞测压试验,对本文提出的风荷载折减方法合理性进行验证.研究结果表明:基于风洞试验的统计方法比规范方法在计算大跨平坡屋盖最不利设计风荷载方面更合理;而随着平坡屋盖结构尺寸的增大,最不利设计风荷载折减程度趋于稳定;本文提出的风荷载折减方法,能为大跨平坡屋盖结构最不利设计风荷载的合理确定提供参考.【期刊名称】《铁道科学与工程学报》【年(卷),期】2018(015)012【总页数】9页(P3208-3216)【关键词】大跨平坡屋盖;风荷载折减;气动导纳函数;移动平均法【作者】祝志文;程国用【作者单位】湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082;汕头大学土木与环境工程系,广东汕头 515063;湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082【正文语种】中文【中图分类】TU242.9脉动风压在建筑表面上的分布并不完全正相关，导致作用在结构不同部位处的脉动风压并不同时达到最大值。

因此，随着围护结构尺度的增大，作用在围护结构上的总风荷载将会减小，这即是围护结构风荷载折减的尺寸效应[1]。

对风荷载作用面积较大的大跨屋盖，其尺寸折减效应可能较显著。

由于试验条件和费用的限制，在风洞试验中不太可能通过在建筑模型表面上布置十分密集的测压点进行空间积分以精确考虑围护结构风荷载折减的尺寸效应。

目前，大跨屋盖一般通过风洞试验获得全部测点各自最不利风压进行屋盖的设计，并且各个测点最不利风压并非同一风向角下取值，由此确定的大跨屋盖风荷载可能明显偏大，因而结构设计可能是非常保守的。

因此，需要考察脉动风压相关性随空间的变化，合理考虑大跨屋盖设计风荷载的折减，为大跨屋盖的设计提供合理的风荷载。

移动平均法可折减作用在建筑上的风荷载[2]。

双层类椭球冠形大跨屋面的表面风压数值模拟

双层类椭球冠形大跨屋面的表面风压数值模拟邓长根;梅洁晗;陆平【摘要】基于计算流体动力学（CFD）数值模拟方法，对拟建双层类椭球冠形大跨屋面进行了表面风压分析，得到了其在不同风向角下的风压分布情况和速度流场分布趋势，并进一步给出了拟建建筑在最不利工况下的风压系数分布等值线。

结果表明：双层类椭球冠形大跨屋面的最大正压区出现在迎风面的近地处及上下部交界处，而最大负压区则出现在侧面的上下部交界处和顶面；上下部交界处由于形成了凹角，很容易出现最大局部正负压区块，因此在结构抗风设计时需要进行局部加强。

%By the method of computational fluid dynamics (CFD ) numerical simulation , the analyses of wind-induced surface pressure of the proposed long-span roof of double hyperellipsoidal crowns were conducted .The distributing characteristics of mean wind pressure and velocity flow field in different wind directions were obtained .On that basis ,the isolines of wind pressure coefficient distribution of the proposed architecture under the most unfavorable condition were presented .The results show that the maximum positive pressure zone locates on the upwind side near the ground ,while the juncture of top and bottom on the upwind side also grows a zone of maximum positive pressure .The maximum negative pressure zone lies on the upwind side close to the top of the roof ,while a maximum negative pressure zone appears in the juncture of top and bottom on the side face .Therefore ,the juncture of top and bottom forms concave angle ,w hich leads to maximum local positive pressure zones ornegative pressure zones , so local reinforcement should be considered in the design of structural wind-resistance .【期刊名称】《建筑科学与工程学报》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】5页(P138-142)【关键词】大跨屋面;类椭球冠;数值模拟;风压系数;风向角【作者】邓长根;梅洁晗;陆平【作者单位】同济大学建筑工程系，上海 200092;同济大学建筑工程系，上海200092;上海同济开元建筑设计有限公司，上海 200092【正文语种】中文【中图分类】TU312.10 引言作为建筑结构的主要侧向荷载，风荷载一直是大跨度空间结构设计的核心问题之一。

大跨度双曲屋盖分区风压系数研究

大跨度双曲屋盖分区风压系数研究孙芳锦; 徐中豪; 梁爽【期刊名称】《《西安建筑科技大学学报（自然科学版）》》【年(卷),期】2019(051)005【总页数】9页(P660-668)【关键词】大跨度双曲屋盖; 影响参数; 风压分布特性; 风压分区建议值【作者】孙芳锦; 徐中豪; 梁爽【作者单位】桂林理工大学土木与建筑工程学院广西建筑新能源与节能重点实验室广西桂林541004; 辽宁工程技术大学土木工程学院辽宁阜新123000【正文语种】中文【中图分类】TU33随着各国经济发展和文化进步，各种外型复杂的大跨度结构在国内外屡见不鲜，成为了大跨度结构的发展趋势.大跨度屋盖结构质量轻、柔性大，风荷载是其主要控制荷载.通过对历次风灾调查，发现大跨度建筑结构破坏造成的损失已占总损失的一半以上.目前,关于大跨度屋盖结构的抗风研究主要围绕几种简单体型的屋盖结构，对于具有代表性的复杂体型的大跨度结构研究相对较少，且目前国内外的荷载规范对复杂体型结构的风压系数也尚未给出明确规定.随着计算机技术和计算流体力学理论的不断发展完善，数值模拟成了继风洞试验之后的大跨度等建筑结构抗风研究的重要手段之一.国内外已有部分学者采用数值模拟技术对结构风压特性开展了研究，并取得了一定成果.国外Murakami等人首次采用大涡模拟方法模拟了立方体周围的三维流场[1]，后来又运用大涡模拟方法模拟了德克萨斯科技大学的TTU建筑的风压和风流场，并与现场实测和风洞试验所得数据进行了对比[2].国内陈勇采用数值模拟方法模拟了大跨度悬挑屋盖上的风压分布，并且得出体育场内部流场的规律[3].顾明等利用RANS方法，基于RSM湍流模型对上海铁路南站圆形屋盖上的平均风压进行了数值模拟研究，并把数值模拟结果与风洞试验所得的结果进行了比较[4].汪丛军等模拟了越南国家体育场大跨度屋盖的平均风压和周围风环境的影响[5].孙瑛对大跨度典型屋盖进行了数值模拟研究[6].孙芳锦等人对大跨度柔性屋盖的风振进行了数值模拟的研究[7]，并介绍了一种计算流体和结构之间流固耦合作用的强耦合方法.陈亚楠利用标准k-ε模型对体育场大悬挑屋盖表面风压进行数值模拟[8]，并分析了风向角、屋盖坡度等因素对环状悬挑屋盖风压分布的影响.综上，目前大跨度复杂屋盖结构风压特性研究的问题在于大部分研究只针对某一特定屋盖形状，对其复杂体型的风压分布特性研究较少，缺少普遍性的研究结论.且现行国内外规范对复杂形状结构的风压系数尚未给出明确规定[9]，给复杂大跨度结构的抗风设计带来不便并造成一定安全隐患.为此，本文选取四种典型投影形状的大跨度双曲屋盖，深入研究其风压分布特性进行，得到了一般性结论，并给出各屋盖的分区风压建议值，对类似屋盖结构的工程抗风设计提供了更准确的理论支持和实际参考.文章首先研究不同影响参数对各屋盖风压分布的影响规律，再选取各屋盖的最不利影响参数，分析给出各形状屋盖的风压系数分区建议值.1 CFD数值模拟1.1 计算模型和计算域的选取本文选取四种典型形状的大跨度双曲屋盖作为计算模型[10](见图1)，选取1,2两个测量方向(图2)，详细计算参数见表1.经多次试算对比分析，取计算域为20L2×10 L1×10 Hmax，模型中心位置(0.5 L2，0.5 L1，0)，与x、y和z轴对应.将模型放置在距计算域入口前沿1/3处，即W1=7L2，W2=12L2，计算域满足阻塞率小于3%的要求.图1 双曲屋盖的几何模型及各相关参数的定义图Fig.1 The geometry models of large-span hyperbolic roofs and parameter definition图2 风向及测量方向示意图Fig.2 Wind direction and measurement direction 1.2 划分网格采用六面体结构化网格进行网格划分(见图3)，对计算模型附近的网格局部加密，并设置了网格增长因子来使网格大小自计算模型朝外均匀增加，其中网格的最小尺寸设置为0.005 m，网格数量约为180万.表1 计算模型尺寸表Tab.1 Computing model size table模型形状L1 /cmL2 /cmρδHb /c mH /cmHmax /cmf1/cmf2/cm正方形P180.0080.001/101/613.338.0021.332.675.33矩形P240.0080.001/101/613.338.0021.332.675.33圆形P380.0080.001/101/613.338.0021.332.675.33椭圆形P440.0080.001/101/613.338.0021.332.675.33注：表中ρ= H/Lmax；δ= Hb/Lmax；Lmax=80.00 cm.图3 计算模型网格划分图Fig.3 Computational model meshing1.3 确定边界条件入口边界条件：为与实验数据比较，选择了速度入口边界条件，并参照文献[10]设定其相关参数.出口边界条件：采用完全发展出流边界条件.壁面边界条件：流体域的顶部和两侧选择自由滑移壁面；建筑物的表面和地面采取了无滑移的壁面边界条件.2 流场参数对屋盖表面风压分布的影响2.1 风向角采用P1模型进行数值模拟计算，地面粗糙度α为0.16，计算域尺寸见1.1节，风速取16.7 m/s，分别选取0°、45°、90°风向角.不同风向角下屋盖表面的平均风压系数分布示意图见图4.通过分析图4可以得出如下结论：图4 平均风压系数分布示意图Fig.4 Schematic diagram of average wind pressure coefficient distribution(1) 在不同风向角作用下，屋盖表面平均风压系数的分布规律大致相同：平均风压系数均为负值，风荷载表现为风吸力，且较大值主要分布在屋盖迎风前缘，距离迎风前缘越近，平均风压系数的变化梯度也越大，随着与迎风前缘的远离，平均风压系数的变化相对平缓.(2) 无论风向角如何，建筑物的绕流特性类似，均为在屋盖迎风处气流分离的最严重.在凹立面一侧气流分离强度大，风压变化梯度大，风压减小的快，在凸立面一侧气流则与之相反.(3) 在不同风向角下，屋盖表面平均风压系数最小值所处的位置不同：风向角小于45°时，在建筑物的出流边缘出现最小值；而当风向角大于等于45°时，在屋盖沿气流方向的3/4处出现最小值，位于出流边缘前靠近凹立面的一侧.从图中不难看出，0°风向角是风压分布的最不利情况，其次是90°和45°.2.2 地面粗糙度对P2模型进行数值模拟，地面粗糙度α为0.16、0.28和0.4，分别对应三种不同地形，详细参数见表2.屋盖表面的平均风压系数分布示意图见图5和图6.表2 数值试验工况的试验参数Tab.2 Test parameters of numerical testcondition工况风向角地面粗糙度计算域尺寸风速G10°G290°G30°G490°G50°G690°0.160.280.416 m×8 m×2.133 m16.7 m/s分析图5和图6中六种工况的数值模拟结果，得出结论如下：(1)上述的三种不同地形工况中，双曲屋盖的表面风压分布规律非常相似，地貌对其表面风压分布的影响较小，其微小差异主要体现在沿气流流动方向.(2) 在0°风向角下，地貌对其迎风前缘的风压分布的影响相对较大，随着地面粗糙度增大，其风压系数减小的越慢，说明气流的分离作用随地面粗糙度增大而减小.(3) 在90°风向角下，大跨度双曲屋盖迎风前缘的风压分布受地面粗糙度的影响不明显，而地貌对其风压分布的影响主要体现在屋盖后方的出流处.随着地面粗糙度的增大，屋盖后方的风压系数减小的逐渐变慢，气流的再附作用也越大.(4)相对于风向角，地面粗糙度对其屋盖表面风压分布特性的影响较小.图5 0°风向角下平均风压系数分布示意图Fig.5 Distribution of average Cp at 0° wind direction angle图6 90°风向角下平均风压系数分布示意图Fig.6 Distribution of average Cp at 90° wind direction angle3 几何模型参数对屋盖表面风压分布的影响分析在0°这个最不利风向角下，曲率比γ、矢跨比ρ和高跨比δ对高度在20～40 m之间的常见大跨度双曲屋盖结构表面风压分布的影响，其中，L1=L2=80 cm，ρ=H/Lmax，δ=Hb/ Lmax；γ=f2 / f1.计算域的大小、网格划分、边界条件及相关参数的设置均参照1.1节.3.1 双曲屋盖两方向的曲率比为使大跨度屋盖满足相关的力学要求，γ值宜选取在0.43～2.23内，故选取四种有效的γ值0.5、1、1.5、2，来研究曲率比对其表面风压特性的影响.其中Hb=13.33 cm，H=8 cm，计算模型的尺寸详见表3.表3 计算模型尺寸表Tab.3 Computing model size table模型δρf1/cmf2/cmγP11/61/102.675.332P51/61/103.24.81.5P61/61/10441P71/6 1/105.332.670.5通过对图7中不同曲率比数值模拟结果的对比，得到结论如下：(1)分析图7(a)发现，沿气流的流动方向(1方向)，在屋盖前1/4中，随着曲率比的减小，平均风压系数值逐渐增大；而屋盖后3/4的变化规律与之相反，随着曲率比的减小，风压系数值也减小.分析图7(b)发现，垂直于气流流动方向(2方向)，随着双曲屋盖的曲率比的减小，其风压系数也随之减小.这是由于随着屋盖的曲率比减小，屋盖前缘漩涡脱落随之减少，气流的分离、再附也变小.图7 屋盖表面平均风压系数对比曲线Fig.7 Average wind pressure coefficient comparison curve(2)屋盖曲率比不同，其表面风压系数曲线的变化趋势相同，而曲率比变化对风压分布有数值上的影响，其中对屋盖中间的风压分布作用较大.(3)随着曲率比减小，双曲屋盖表面风压系数受曲率比变化的影响增大；反之随着双曲屋盖曲率比的增大，对其风压系数的作用趋于平缓.当曲率比为2时，屋盖表面的风压系数最大，γ=2是大跨度双曲屋盖的最不利曲率比.3.2 矢跨比双曲屋盖的矢跨比ρ= H/Lmax(其中，H=f1+f2)，大跨度双曲屋盖结构工程实际中的矢跨比多为1/10～1/5之间，本文采用1/6、1/7、1/8、1/9和1/10这五种有效的ρ值来研究矢跨比对大跨度双曲屋盖表面风压分布特性的影响.其中Hb=13.33 cm，δ=1/6，计算模型的几何尺寸详见表4.表4 计算模型尺寸表Tab.4 Computing model size table模型ρH/cmf1/cmf2/cmHmax/cmP11/108.002.675.3321.33P81/98.892.965.9322.22P91/810.003.336.6723.33P101/711.433.817.6224.76P111/613.334.448.8926.66通过对图8中不同矢跨比数值模拟结果的对比，得到结论如下：(1)分析图8(a)发现，沿气流的流动方向(1方向)，平均风压系数值以屋盖的0.15m为界，在0.15 m之前，其值随双曲屋盖矢跨比的增大而减小；分析图8(b)发现，垂直于气流流动方向(2方向)，随着双曲屋盖的矢跨比的增大，其风压系数也随之增大.这是由于随着屋盖矢跨比的增大，屋盖前缘处漩涡脱落随之增多，气流的分离和再附作用也越大.(2)屋盖矢跨比不同，其表面风压系数曲线的变化趋势相同，而矢跨比变化对风压分布有数值上的影响，其中对屋盖中间的风压分布作用较大.(3)随着矢跨比增大，双曲屋盖表面风压系数受矢跨比变化的影响随之增大；反之随着双曲屋盖矢跨比的减小，对其风压系数的影响趋于平缓.图8 屋盖表面平均风压系数对比曲线Fig.8 Comparison curve of average Cpon roof surface3.3 底座的高跨比底座的高跨比δ= Hb/Lmax，本文选取1/6、1/5、1/4和1/3这四种有效的δ值来分析高跨比对大跨度双曲屋盖表面风压分布特性的影响.其中H=8 cm，ρ=1/10，计算模型的详细尺寸见表5.表5 计算模型尺寸表Tab.5 Computing model size table模型δHb/cmf1/cmf2/cmHmax/cmP11/613.332.675.3321.33P121/5162.675.3324P131/4202.675.3328P141/326.672.675.3334.67图9 屋盖表面平均风压系数对比曲线Fig.9 Comparison curve of average Cpon roof surface通过对图9中不同高跨比数值模拟结果的对比，得到结论如下：(1)分析图9(a)发现，沿气流的流动方向(1方向)，随着高跨比的增大，双曲屋盖的平均风压系数在其迎风前缘增大明显，而当气流流过屋盖中间之后，平均风压系数值基本趋于平稳，受高跨比影响较小；分析图9(b)发现，垂直于气流流动方向(2方向)，随着双曲屋盖的高跨比的增大，其风压系数也随之增大.随着高跨比的增大，双曲屋盖的平均风压系数值在屋盖前半部分减小变快，由此得出：随着高跨比增大，屋盖前缘的漩涡脱落增多，气流分离也随之增大.(2)相对于矢跨比，屋盖表面风压分布受高跨比的影响较弱.不同高跨比模型屋盖表面平均风压系数曲线的大体趋势相同，底座的高跨比对大跨度双曲屋盖表面风压分布的影响很小，但屋盖迎风前缘受到高跨比的影响很大，而屋盖的后半部分风压分布基本上不受高跨比影响.(3)随着底座的高跨比增大，其变化对屋盖表面平均风压系数的作用增强；反之，其变化对屋盖表面平均风压系数的作用趋于平缓.4 平均风压系数的合理建议值本文在上述研究的基础上，选择最不利风向0°，最不利曲率比γ=2，矢跨比和高跨比为最值的模型展开研究.4.1 方形双曲屋盖平均风压系数分区建议值以方形投影面的大跨度双曲屋盖结构作为研究对象，计算模型取P1、P2、P11、P14、P15、P16、P17P18，补充尺寸见表6.表6 计算模型尺寸表Tab.6 Computing model size table模型L1/cmL2/cmρδHmax/cmf1/cmf2/cmP1580.0080.001/61/340.004.448.89P16 40.0080.001/61/626.664.448.89P1740.0080.001/101/334.672.675.33P1840. 0080.001/61/340.004.448.89沿气流流动方向，将双曲屋盖表面均匀分成a、b、c、d、e五列，在每列上均匀选取13个测点，分布详情见图10.本文采用拐角是直角的平屋盖为参照，选用了风作用部分比较权威的欧洲规范[11]，规范中明确给出了屋面分区图(见图11)以及各区域的风压系数(见表7，表中Cp为平均风压系数，Cp,m为极值风压系数).图10 方形双曲屋盖表面压力测点分布图Fig.10 Square hyperbolic roof surface pressure measuring point distribution map图11 平屋盖分区图Fig.11 The zoning maps of flat roof表7 平屋盖分区风压系数Tab.7 Partition wind pressure coefficient of flat roofABCDCpCp,mCpCp,mCpCp,mCpCp,m-1.8-2.5-1.2-2.0-0.7-1.2+0.2/-0.2读取数据并建立以平均风压系数为纵坐标，无量纲函数y0/L2为横坐标的坐标系，得到不同模型的平均风压系数曲线以及其相应的包络线(见图12).然后按照大跨度双曲屋盖表面平均风压的分布规律划分屋盖，确定各区的平均风压系数，并与规范中平屋盖对比.图12 平均风压系数曲线图Fig.12 Average wind pressure coefficient curve通过图12可以看出，图12(a)和图12(b)的包络线相同，图12(c)的包络线的前方与前两个有较大差别，后面同前两个相同.另外，由于图12中的包络线的包含度超过90%，能确保基于包络线值设计的安全性，故根据包络线的变化给出屋盖表面各区域的平均风压系数，并且为确保其偏于安全，在相邻两列中间区域取较大值，将其绘制成图13a.根据规范中的屋盖分区方式及各区域的平均风压系数值绘制成图13(b).分析图13，得到结论如下：(1)方形双曲屋盖的风压分布和规范中的平屋盖有相同规律，其风吸力较大区域都出现于其迎风前缘，随着气流不断向屋盖后方发展，平均风压系数逐渐变小.图13 平均风压系数的分区对比图Fig.13 Partition comparison chart of average wind pressure coefficient(2)方形双曲屋盖表面平均风压系数值全部为负值，说明其表面的风荷载都表现为风吸力作用；而平屋盖后方平均风压系数可为正值，故它不仅仅受风吸力，或许还受风压力作用.(3)由于双曲屋盖迎风前缘两侧气流的分离作用较强，有较多漩涡脱落，其最大风压出现在迎风前缘的中间区域；而平屋盖正好与之相反，因其迎风前缘中间气流分离作用较强，漩涡脱落的较多，其最大风压出现在屋盖迎风前缘两侧.(4)双曲屋盖在yo/L2=0.1、yo/L2=0.2、yo/L2=0.8处其值发生突变，风吸力作用逐渐减小，而平屋盖只在yo/L2=0.1和yo/L2=0.5处发生突变.(5)双曲屋盖中超过95%的区域高出规范中给出的平屋盖的平均风压系数值，且有60%区域的相差率达65%以上.综上分析，双曲屋盖表面风压分布同平屋盖相比存在较大差异，且整体较平屋盖表面风压系数值偏大.本小节得出的方形双曲屋盖表面平均风压系数的分区建议值不受尺寸限制，适用于高度在20～40 m范围内的方形投影面的双曲屋盖的结构抗风设计.4.2 圆弧形双曲屋盖平均风压系数分区建议值采用研究对象为圆弧形投影面的双曲屋盖.其中，圆形双曲屋盖(P3、P19、P20、P21)：L1=L2=80 cm；椭圆形双曲屋盖(P4、P22、P23、P24)：2L1=L2=80 cm.计算模型的尺寸见表8.表8 计算模型尺寸表Tab.8 Computing model size table模型H/cmHb/cmρδHmax/cmf1/cmf2/cmP38.0013.331/101/621.332.675.33P48. 0013.331/101/621.332.675.33P1913.3313.331/61/626.664.448.89P208.0026 .671/101/334.672.675.33P2113.3326.671/61/340.004.448.89P2213.3313.33 1/61/626.664.448.89P238.0026.671/101/334.672.675.33P2413.3326.671/61 /340.004.448.89屋盖表面压力测点的分布详情见图14(参照上节)，得到不同模型的平均风压系数曲线以及其相应的包络线见图15，各区域的平均风压系数建议值见图16.图14 圆弧形双曲屋盖表面压力测点分布图Fig.14 Curved point distribution map of arc-shaped hyperbolic roof通过图15可以看出，虽然横坐标的取值范围不同，但和方形双曲屋盖一样，图15(a)和图15(b)的包络线是相同的.但图15(c)包络线不仅前方同前两个不一样，而且后方较前两个也存在较大的差别，屋盖前缘最大风压系数较方形双曲屋盖的有所减小，在屋盖后方yo/L2在0.8～1.0范围内，屋盖表面风压系数出现了正值，因此此部分包络线不仅要考虑负值，也要将正值考虑进去.图中包络线的包含度超过95%，能确保基于包络线值设计的安全性.故本节根据包络线的变化给出了圆弧形双曲屋盖各区的平均风压系数的合理建议值，并且为确保其偏于安全，在相邻两列中间区域取较大值，将其绘制成图16.图15 平均风压系数曲线图Fig.15 Average wind pressure coefficient curve图16 平均风压系数分区图Fig.16 The partition figure of Cp on the roof surface5 结论本文研究了不同参数对四种典型双曲屋盖表面风压的影响规律，并总结分析出各屋盖的分区风压系数，主要得到如下结论：(1)风向角对大跨度双曲屋盖表面风压分布存在较大影响；相对于风向角，地面粗糙度对屋盖的风压分布规律影响较小，且地貌对屋盖风压分布的影响主要体现在屋盖后方的出流处.随着地面粗糙度的增大，气流的再附作用越大.(2)曲率比和矢跨比的变化对大跨度双曲屋盖风压系数的趋势影响较弱，其中屋盖中间区域的风压分布受曲率比和矢跨比的影响较大.随着曲率比减小，双曲屋盖表面风压系数受曲率比变化的影响增大；随着矢跨比增大，双曲屋盖表面风压系数受矢跨比变化的影响随之增大.(3)相对于大跨度双曲屋盖的矢跨比，底座的高跨比对其表面风压分布的影响较小，但屋盖迎风前缘受到高跨比的影响很大，而屋盖的后半部分风压分布基本上不受高跨比影响.(4)给出了方形和圆弧形双曲屋盖表面在最不利参数下的平均风压系数的分区建议值，为类似结构的抗风设计提供了有益参考.参考文献 References【相关文献】[1] MURAKAMI S, MOCHIDA A,Hibi K. Three-dimensional numerical simulation of air flow around a cubic model by means of large eddy simulation[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1987, 25: 291-305.[2] MURAKAMI S, MOCHIDA C, HAYASHI Y. Numerical simulation offlowfield around Texas Tech Building by larger eddy simulation[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1993, 46-47: 455-460.[3] 陈勇. 体育场风压风流场数值模拟及模态分析法研究大悬挑屋盖风振动力响应[D]. 上海:同济大学, 2002.CHEN Yong. Numerical simulation of wind pressure in the stadium and modal analysis to study wind vibration response of large cantilevered roof[D].Shanghai:Tongji University, 2002.[4] 顾明,黄鹏,杨伟，等.上海铁路南站平均风荷载的风洞试验和数值模拟[J]. 建筑结构学报,2004(5): 59-65.GU Ming, HUANG Peng, YANG Wei et al. Wind tunnel test and numerical simulation of mean wind loads of Shanghai South Railway Station[J]. Journal of Building Structures, 2004(5):59-65.[5] 汪丛军,黄本才,张昕，等.越南国家体育场屋盖平均风压及风环境影响的数值模拟[J]. 空间结构,2004, 6: 43-49.WANG Congjun, HUANG Bencai, ZHANG Xin et al. Numerical simulation of wind pressure distribution and wind environment on the roof of National Stadium of Vietnam[J].Space Structure, 2004, 6: 43-49.[6] 孙瑛.大跨屋盖结构风荷载特性研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2007.SUN Ying. Characteristics of wind loading on long-span roofs [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2007.[7] 孙芳锦,张大明,殷志祥.大跨度柔性屋盖风振中流固耦合分析的强耦合方法[J]. 地震工程与工程振动,2009, 29(2): 179-183.SUN Fangjin, ZHANG Daming, YIN Zhixiang. Coupling method for analyzing fluid-structure interaction in long-span flexible roof wind-induced vibration[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2009, 29(2): 179-183.[8] 陈亚楠. 典型大跨空间结构风压和风振效应数值模拟分析[D]. 上海:上海交通大学, 2012. CHEN Yanan. Numerical simulation analysis of wind pressure and wind vibration response of long span space structure[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2012.[9] 孙芳锦,梁爽,余磊. 基于改进的神经网络的大跨度屋盖风压场预测[J]. 应用力学学报,2014,31(6),922-926.SUN Fangjin, LIANG Shuang, YU Lei. Prediction of wind pressure of large-span roofsbased on improved neural network[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2014, 31(6): 922-926.[10] Rizzo F, D’Asdia P, Lazzari M. et al. Wind action evaluation on tension roofs of hyperbolic paraboloid shape[J]. Engineering Structures, 2011, 33(2): 445-461.[11] BSI.The European Standard： EN 1991-1-4:Eurocode 1:Actions on structures: Part 1-4:General actions-Wind actions[S]. London:Technical Committee CEN/TC 250, 2005.。

大跨度屋盖结构等效静力风荷载研究的开题报告

大跨度屋盖结构等效静力风荷载研究的开题报告一、研究背景及意义大跨度屋盖结构具有跨度大、内部各层高度不同、非线性和非静态等特点。

在遭受风荷载的情况下，会出现复杂的非线性反应，而如何准确地计算这种反应成为结构设计的关键问题。

因此，研究大跨度屋盖结构的等效静力风荷载，对于确保结构的稳定性和安全性具有重要的意义。

二、研究内容和技术路线本研究应用ANSYS软件，通过有限元分析建立大跨度屋盖结构的数值模型，在实际风荷载作用下，通过建立等效静力风荷载模型，计算出屋盖结构在静止状态下的等效静力风荷载，实现静力方法计算风荷载的目的。

针对大跨度屋盖结构，主要考虑以下内容：（1）结构的建模和模型验证首先，建立大跨度屋盖结构的有限元分析模型，通过分析模型中单元内部的应力、位移等参数，确认模型的准确性，并与实测数据进行比对，验证模型的可靠性。

（2）风场的建立基于适当的风压系数，建立大跨度屋盖结构在风场作用下的风压分布，然后，将风压作用在有限元模型上，计算出结构在风场作用下的变形和应力。

（3）静力方法计算在摆脱动力学效应的基础上，建立静态等效风荷载模型，即通过仿真大风的效应，在结构上施加等效静力载荷，以代替实际的动态风荷载。

（4）结构响应的计算和分析在引入静态等效风荷载后，计算出结构的响应，通过分析变形和应力，研究大跨度屋盖结构在风荷载下的力学性能。

三、预期成果与应用价值通过本研究，预计可以达到以下成果：（1）大跨度屋盖结构风荷载等效静力计算模型的建立；（2）对模型的准确性和可靠性进行验证；（3）通过分析，获得大跨度屋盖结构在风荷载下的力学性能。

本研究成果的应用价值主要体现在以下方面：（1）针对大跨度屋盖结构，提供了一种适用的计算方法和手段；（2）为大跨度屋盖结构的设计和施工提供理论依据；（3）促进大跨度屋盖结构的安全稳定开发和使用。

屋盖结构背景响应等效风荷载的一种简化算法_沈国辉

∑∑ σ L
=
⎜⎛ ⎜⎝
n i=1
n
σ
j=1
2 pij
bib
j
⎟⎞1/ ⎟⎠
2
(5)
式中 σ L
为升力的脉动均方根， σ
2 pij
为i
和
j
位置风
荷载的协方差。那么 i 位置风荷载与升力的协方差
为：
n
∑ σ
2 pi ,L
=
pi
⋅L
=
σ
2 pij
b
j
(6)
j =1
如果定义 ρ pi ,L 为 i 位置风荷载与升力的相关系数,
Pe,i (L) = pi − gρ pi ,Lσ pi
(16)
由于以上方法涉及到风荷载和升力的相关系
数计算，故称为荷载升力相关法，简称为 LLC(Load-
Lift-Correlation)法。该方法的实质就是把 LRC 法中
的响应固定为升力，因此相当于是 LRC 法的一种
简化算法。但是 LLC 的优点就是无需考虑结构的影
———————————————
收稿日期：2005-07-14；修改日期：2005-11-02 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50578144) 作者简介：*沈国辉(1977)，男，浙江台州人，讲师，博士，从事结构风工程研究(E-mail: ghshen@)；
孙炳楠(1940)，男，浙江桐乡人，教授，博导，从事结构分析，结构风工程，结构抗风和抗振控制等研究；楼文娟(1963)，女，浙江绍兴人，教授，博士，博导，主要从事结构计算力学与结构风工程研究。
公式为：
n
∑ Pe,i = g
σ
2 pij
b

大跨双坡屋盖结构等效静风荷载参数分析

大跨双坡屋盖结构等效静风荷载参数分析王子通;周岱【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2017(017)022【摘要】等效静风荷载是描述大跨空间结构动力风荷载的有效方式.运用Ansys软件进行结构风致响应时程分析,进而研究大跨双坡屋盖结构等效静风荷载.针对风向角、屋面坡度、结构高度和跨度等参数,系统性开展双坡屋盖结构的等效静风荷载的参数分析,为工程设计提供参考依据.研究表明,在0°风向角下,屋盖结构等效静风荷载值最大;随着风向角增大,结构的等效静风荷载减小;随着结构高度和跨度的增加,结构等效静风荷载增大,且其分布发生变化;屋面坡度对于结构等效静风荷载的影响较为复杂,适当增大屋面坡度对结构抗风有利.%Equivalent static wind loads (ESWL) is an effective way to describe the dynamic wind loads on large-span space structures.By using Ansys to analyze the wind-induced dynamic response of the structures,the equivalent static wind loads on large-span gable-roofed structures is well performed.Considering parameters such as wind direction,roof slope,structural height and span,parameter analysis of equivalent static wind loads on largespan gable-roofed structures were researched systematically,which can be reference basis for structural wind-resistant design.According to the present results,equivalent static wind loads on large-span gable-roofed structures is the maximum at zero degree wind direction.When the wind direction angle increases,equivalent static wind loads on the structure decreases.As structural height and spanincrease,equivalent static wind loads on the structure enlarge and its distribution changes.The effect of roof slope on equivalent static wind loads on the structure is complex.Extending the roof slope properly is benefited for structure to resist the wind loads.【总页数】11页(P278-288)【作者】王子通;周岱【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TU312.1【相关文献】1.大跨度屋盖结构等效静风荷载研究 [J], 武岳;陈波;沈世钊2.大跨平屋盖的多目标等效静风荷载研究 [J], 陈波;李明;杨庆山3.大跨屋盖的包络等效静风荷载 [J], 段旻;倪振华;谢壮宁4.大跨屋盖结构等效静风荷载研究 [J], 李方慧;倪振华;沈世钊5.大跨度屋盖结构等效静风荷载分析方法及应用 [J], 陈波;武岳;沈世钊;段忠东因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

大跨屋盖结构等效静风荷载研究

第24卷第7期V ol.24 No.7 工程力学2007年7 月July 2007 ENGINEERING MECHANICS 104 文章编号：1000-4750(2007)07-0104-06大跨屋盖结构等效静风荷载研究*李方慧1,2，倪振华3，沈世钊1(1. 哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150090; 2. 黑龙江大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨 150086;3. 汕头大学土木工程系，广东汕头515063)摘要：等效静风荷载为大跨屋盖结构设计提供了处理时空变化动力风荷载的有效途径。

从两个方案对等效静风荷载研究，一种方案是采用模态等效静风荷载组合法，另一方案采用共振响应分量对应的模态等效静风荷载与本征正交分解法(POD)简化的荷载响应相关法(LRC)计算的背景等效静风荷载组合法，两个方案中通过加权因子考虑模态耦合项的影响。

利用风洞试验同步测量单层柱面网壳结构的风压数据，根据完全二次型组合法(CQC)和平方总和开方法(SRSS)计算风致响应，结果表明模态耦合项可以忽略，仅选取前几阶模态即可获得准确响应结果。

等效静风荷载计算的响应结果与CQC法计算结果进行校核。

等效静风荷载确定两方案对比分析显示，第一种方案是非常有效、实用的确定等效静风荷载的方法，而第二个方案有助于分别对背景和共振等效静风荷载研究。

关键词：风致响应；等效静风荷载；荷载响应相关法；本征正交分解法；风洞试验；单层柱面网壳中图分类号：TU393; TU312 文献标识码：AEQUIV ALENT STATIC WIND LOADS ON LONG SPAN ROOFS*LI Fang-hui1,2, NI Zhen-hua3, SHEN Shi-zhao1(1. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, Heilongjiang 150090, China;2. Heilongjiang University, Faculty of Architectural Engineering, Harbin, Heilongjiang 150086, China;3. Department of Civil Engineering, Shantou University, Shantou, Guangdong 515063, China)Abstract: The equivalent static wind loads (ESWL) provide an effective approach to deal with the spatiotemporally varying wind loads for structures with long span roofs. Two schemes for calculating the ESWL have been proposed in this paper. In the first scheme ESWL are formulated in terms of a weighted combination of modal ESWL components. In the second scheme ESWL are expressed in a separated form as the resonant component of modal ESWL and the background component in which the proper orthogonal decomposition (POD) technique can be introduced to simplify the computation of load-response-correlation. The modal coupling effects are considered with the weighting factor in both schemes. Wind tunnel tests of a single-layer latticed cylinder were carried out with the synchronous multi-pressure scanning technique. With the wind-induced responses of the cylinder calculated using approaches of the Complete Quadratic Combination (CQC) and the Square Root Sum of Square (SRSS), it is found that the modal coupling effects may be neglected in this case, and the responses can be obtained with only a few modes. The obtained responses by ESWL are checked by CQC. By comparing the two schemes for calculating ESWL, it can be concluded that the first scheme is an effective and practical method for analysis of the equivalent static wind loads, and the second scheme is useful to investigate background and resonant static loads component respectively.Key words: wind induced response; equivalent static wind loads; load response correlation (LRC); proper orthogonal decomposition (POD); wind tunnel tests; single-layer latticed cylinder ———————————————收稿日期：2005-12-05；修改日期：2006-06-07基金项目：国家自然科学基金资助项目(50378052)作者简介：*李方慧(1978)，男，黑龙江肇源人，博士生，从事大跨屋盖风工程研究(E-mail: lfh_2000@)；倪振华(1945)，男，浙江上虞人，教授，博导，从事结构风工程研究(E-mail: zhni@)；沈世钊(1933)，男，浙江嘉兴人，教授，博导，中国工程院院士，从事大跨空间结构领域的理论研究和工程应用研究.工程力学 105大跨屋盖结构体型复杂多样，对风荷载较敏感。

大跨径桥梁静风稳定性分析方法的探讨与改进

大跨径桥梁静风稳定性分析方法的探讨与改进大跨径桥梁已经十分常见，尽管这种桥梁优势突出，气势恢宏，但是却需要解决风荷载的问题，尤其是在风荷载条件下，桥梁所面临的静力问题。

实际上，很早之前，国内外学者对此问题就进行了十分详细的研究，发现传统使用的几种方法都有一定程度的不足之处，所以计算时经常会出现误差，其中误差最为明显的是线性法以及增量迭代法等，正是基于此，学者们一直致力于研究更加优良的方法，笔者依据多多年的经验提出了增量——两重迭代法，值得尝试使用。

1 现阶段使用的大跨径桥梁静风稳定性分析方法及其比较1.1 分析方法很早之前，工作人员在对大跨径桥梁静风稳定性进行分析时，使用最为广泛的方法就是线性方法，此种方法如果按照结构失稳方式的差异，可以具体划分为两种，第一种侧倾失稳，第二种是扭转发散。

但是无论哪一种方式，由于没有顾及到结构非线性影响，也没有考虑到静风荷载的影响，所以最终的计算结果会明显的过高，也就是要比实际静风风速要低，这非常不安全。

为此，需要对此种方法进行改进，以使其计算结果更加的真实可靠，经过研究发展，人们认为三角级数法效果比较好。

因为此种方法完全弥补了线性法的缺陷。

该方法综合考虑了结构几何非线性和静风荷载升力和升力矩共同作用的非线性影响。

该方法是由计算某一风速下结构的静风响应和结构临界风速的计算两部分组成。

其中在计算结构静应时，将升力和升力矩曲线按分段直线拟合，将升力、升力矩、竖向位移和结构扭转角用一组三角级数表示，并分别代入到悬索桥竖向和扭转平衡微分方程，联立确定各级数项的待定系數，由于方程是非线性的，所以此项计算必须通过迭代方法完成。

计算扭转发散临界风速时，在初始攻角下，先假定一初始风速。

，再通过静风响应计算得到一组相应的主缆索力和扭转角，以此为新的初态增加一级风速重新计算，当前后两次所计算的扭转角的相对误差超出允许值时，认为结构出现扭转发散，此时计算出的风速即为临界风速。

采用增量法和迭代法相结合的方法进行大跨径桥梁第二类静风稳定性有限元分析。

大跨屋盖结构论文：大跨屋盖结构风荷载特性及抗风设计研究

大跨屋盖结构论文:大跨屋盖结构风荷载特性及抗风设计研究【中文摘要】大跨屋盖结构一般是大型机场、车站或体育馆建筑的首选形式，而这类结构通常具有柔度大、阻尼小、质量轻等特点，风荷载成为作用在结构上的主要控制荷载，如何更精确的计算风荷载成为主导结构是否安全的最重要指标。

由于大跨屋盖的结构形式不完全相同，规范中并没有统一的计算方法来确定其风荷载数值,而提供的体形系数和风振系数还不能囊括所有的大跨形式，因此，有必要对不同的大跨结构做深入的抗风分析和研究。

木文结合青岛火车站站房屋盖的大跨结构形式，运用其刚性模型进行风洞试验,并建立有限元模型，从风压分布特性分析、风振系数的确定、静风荷载的加载等方面讨论结构对风荷载的响应，进而讨论结构的安全性。

本文第二章详细分析了屋盖上不同分区的测点平均风压系数和脉动风压系数的分布情况，并选取典型测点进行分析，进而总结风压分布规律，得出了有关大跨度屋盖结构表而风压分布的一些具有共性的规律，得岀各分区风压系数。

本文第三章讨论了风致响应的计算方法。

由风洞试验中得到的测点风压系数时程，经过一系列转换和修正，得到节点的脉动风荷载时程，通过对结构的前十阶振型的分析，讨论分区风振系数的取值，并最终得到屋盖整体的统一的风振系数。

第四章分析了屋盖结构的静风响应，选取作用在结构上的两种不同的荷载，由前两章的数据经过比较和筛选，最确定结构上每棍组合钢在自重作用下和在自重与静风组合荷载作用下的受力和变形，筛选最大应力和变形处与规范相关数值比较，最终确定结构的安全性。

最后，对进一步的结构设计和分析提出建议，本文所得结论对结构的设计和施工有参考意义，可作为相似结构设计的参考。

【英文摘耍】It is generally the first choice for large-scale airport, station and gymnasium to use long-span roof struetures with high flexibility, low damping and mass・ Wind loading is usually a dominated one acting on struetures, so it is the most important factor to judge the safety of structure under wind load accurately. However there is no general method of calculating wind load in the code because of configuration difference of long-span roof structures・ In the other hand the shape coefficient and the gust response coefficient suggested by the code can， t embrace all forms of long-span structures, so it is necessary to analyze and discuss the wind resistance character of different long-span structures in depth .Based on the stiff model of long-span structure in Qingdao railway station, wind tunnel test is carried out and finite element model is established, this paper discusses the structure? s response for the wind and the structure' s safety by analyzing the wind pressure distribution character, confirming the gust response coefficient, and exerting the static wind load. The second chapter of this paper discusses the distribution of mean wind pressure coefficients and fluctuating wind pressurecoefficients in different areas of the roof, typical points foranalyzing are selected, the regularity of wind pressuredistribution is summarized, and partition wind pressure coefficients are obtained. The third chapter discusses the computing method of wind responsive. After a series of conversion and amendment, the nodes' fluctuating wind load history-time can be gotten from the measured wind pressure coefficient history-time, and the partition values of gust response coefficient are discussed by analyzing the first ten vibration modes, finally, the unified gust response coefficient of the whole roof is got, which is prepared for the next step of loading the static wind load. The forth chapter einalyzes the responsc for static wind load on the roof, two different loads loading on the structure are selected, and the former two chapters' data are chosen and screened, then the carrying capability and deformation for the combined steel column of each rank under the dead load only and combination of the dead load and the wind load are confirmed, the maximum stress and deformation are chosen to compare with the code, finally thestructures safety is assessed. Finally, thefurther structure design and analysis are suggested, the conclusions of this paper can be referred to the structure f s design and construetion, particularly for similar long-span roof structures・【关键词】大跨屋盖结构风洞试验平均风压系数风振系数风荷载特性【英文关键词】long-span roof structure wind tunnel test mean wind pressure coefficient gust response coefficient wind load character【目录】大跨屋盖结构风荷载特性及抗风设计研究摘要6-7Abstract7第1章绪论11-211. 1选题背景11T31. 2基本理论13-201.2. 1近地风特性13-171. 2. 2风荷载研究手段17-201. 2. 2. 1 现场实测17-181. 2. 2. 2风洞试验18-191. 2. 2. 3数值模拟19-201. 3 本文进行的工作20-21第2章大跨度屋盖结构风压分布特性分析21-352. 1引言21-222. 2刚性模型风洞试验方法22-242. 3试验数据处理24-252. 4试验结果分析25-332. 4. 1屋面轮廓形状对风压分布的影响25-272.4. 2典型测点的平均风压系数随风向角的变化27-292. 4. 3典型测点的脉动风压系数随风向角变化规律29-302. 4. 4 风压系数的空间分布特点30-332. 5本章小结33-35第3章大跨度屋盖结构的风致振动特性研究35-523. 1引言35-373. 2结构风振响应的一般计算方法37-423. 3结构风振响应的时程分析法42-433. 4 青岛火车站站房屋盖的风振响应分析43-513. 4. 1结构有限元模型及动力特性43-493. 4. 2风振系数计算分析49-513. 5本章小结51-52 第4章大跨度屋盖结构的风荷载分布分析52-614. 1引言524. 2结构体系与分析模型52-554. 2. 1结构体系52-534. 2. 2结构分析模型53-544. 2. 3节点静力风荷载的计算54-554. 3最不利风向角的确定55-574. 4大跨屋盖结构的静风效应57-604. 5本章小结60-61第5 章结论与展望61-635. 1本文工作总结615.2进一步工作展望61-63致谢63-64参考文献64-66。