单层索网动力响应

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［１－７］
玻璃参与工作的单层索网玻璃幕墙自振特性研究表
８－１１］明［：安装玻璃后，由于结构质量比刚度增加更为显
著，结构频率降低；玻璃的抗弯效应对结构第一阶模态影响较小，对结构的高阶模态影响明显；试验中未考虑玻璃胶，玻璃整体协同作用无法发挥，玻璃对刚度贡献减小。另外，针对单层平面索网风致动力响应，既有研究多以结构在平均风荷载作用下的初始变形为平衡位置，忽略玻璃面板对结构刚度的影响，采用频域方法研
振动与冲击３卷第２３期第３ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤＳＨＯＣＫＶｏｌ．３３Ｎｏ．２３２０１４

玻璃对单层索网动力响应的影响
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａｎｇｈａｉＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＮｏ．７（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００５０，Ｃｈｉｎａ；３．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１１７５６，Ｃｈｉｎａ）
形后近似为线性结构，没考虑实际风致振动的非线性因素；同时该方法忽略了玻璃面板对结构的影响，结果存在一定的偏差。本文考虑玻璃胶和爪件，建立了玻璃和索网协同
第２３期闫雁军等：玻璃对单层索网动力响应的影响
２５
工作的有限元模型，对点支承索网玻璃幕墙的变形和动力特性进行分析。根据幕墙周围建筑，建立数值风洞模型，采用流固耦合方法对单层索网玻璃幕墙进行风致动力响应分析，与频域法对单层索网的分析结果相比较，研究了玻璃面板对单层索网动力响应的影响。
０Ｍｆｓ＋Ｍｓｆ０
０ ρ ０ｐ＝０ · ｕｆｔｕ０ｆｓｕＭｓｓ
（１）通过流固耦合界面上固体位移，求解流体方
ｋ程（２）得到Ｘ，式中松弛因子 λ 在求ｄ为位移松弛因子，ｆ
解复杂问题时，有助于收敛。
ｋｋ－１ｋ－２Ｆ［Ｘ，ｄ＋（１－λ ）ｄ λ ｆｄｓｄｓ］＝０ｆ
（２）
（２）检查流场应力残差是否小于目标值；（３）通过流固耦合界面上流体压力，求解结构方
ｋ程，得到Ｘ，式中松弛因子 λ ｓｓ为应力松弛因子；ｋｋｋ－１Ｆ［Ｘ，１－λ ） λ τ τ ｓｆ＋（ｓｆ］＝０ τ τ
，２闫雁军１，余志祥３，李晗１，张其林１
（１．同济大学土木学院建工系，上海２０００９２；２．上海建工七建集团有限公司２０００５０；３．西南交通大学土木学院建工系，成都６１１７５６）
摘要：为保证玻璃与与索网的协同变形，建立包含玻璃面板、索网、爪件、密封胶的有限元模型，真实反映了单层
索网幕墙的传力途径；根据有限元模型，研究玻璃面板对单层索网静力性能和动力特性的影响；在此基础上，考虑索网幕墙周围建筑建立数值风洞，建立流固耦合模型，研究索网玻璃幕墙振动特性；以索网在平均风荷载作用下到达的新平衡位置为基准，采用频域方法计算单层索网风致动力响应。对比分析结果表明：风荷载作用下，索网幕墙主要做受迫振动，振动为窄带过程；玻璃面板有效降低了索网的平均位移和脉动响应。关键词：玻璃面板；单层索网玻璃幕墙；流固耦合；频域法中图分类号：ＴＵ３８３文献标志码：ＡＤＯＩ：１０．１３４６５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｖｓ．２０１４．２３．００５
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｇｌａｓｓｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｗｉｔｈａｃａｂｌｅｎｅｔ，ａＦＥｍｏｄｅｌｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｇｌａｓｓｐａｎｅｌ，ａｃａｂｌｅｎｅｔ，ｓｅａｌａｎｔｓ，ａｎｄｓｐｉｄｅｒｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｇｌａｓｓｐａｎｅｌｏｎｔｈｅｓｔａｔｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｔｈｅｃａｂｌｅｎｅｔ．Ｔｈｅｆｌｏｗｉｎｇｆｉｅｌｄｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇｓａｒｏｕｎｄｔｈｅｇｌａｓｓｃｕｒｔａｉｎｗａｌｌ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｏｓｅ，ｆｌｕｉｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ（ＦＳＩ）ａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅｇｌａｓｓｃｕｒｔａｉｎｗａｌｌ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅａｖｅｒａｇｅｗｉｎｄｌｏａｄ，ｔｈｅｃａｂｌｅｎｅｔｒｅａｃｈｅｄａｎｅｗｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｗｉｎｄｉｎｄｕｃｅｄｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｍｅｔｈｏｄ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｕｎｄｅｒｗｉｎｄｌｏａｄ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓａｎａｒｒｏｗｂａｎｄｐｒｏｃｅｓｓ；ｔｈｅｇｌａｓｓｐａｎｅｌｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅａｖｅｒａｇｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｐｕｌｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅｃａｂｌｅｎｅｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｌａｓｓｐａｎｅｌ；ｇｌａｓｓｃｕｒｔａｉｎｗａｌｌｏｆａｍｏｎｏｌａｙｅｒｃａｂｌｅｎｅｔ；ＦＳＩ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｍｅｔｈｏｄ单层索网点支承玻璃幕墙，体态轻盈、造型美观，在国内外得到广泛的应用。与其他结构形式的玻璃幕墙相比，单层索网点支承幕墙跨度大、刚度柔、几何非线性明显等特点使得结构对风荷载较为敏感，成为实际工程设计重点考虑的问题之一。冯若强等
１流固耦合理论
１１流固耦合方程流固耦合（ＦｌｕｉｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅＩｎｔｅｒｆａｃｅ，ＦＳＩ）一个重要特征是流体与固体两相介质的相互作用，固体在流体作用下发生变形、运动；固体变形或运动反过来又影响流体流动，从而改变流体载荷的分布和大小。介质不同、耦合机理不同，产生了多种流固耦合现象。流固耦合整体方程为：
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｇｌａｓｓｏｎｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆａｍｏｎｏｌａｙｅｒｃａｂｌｅｎｅｔ
１，２３１１ＹＡＮＹａｎｊｕｎ，ＹＵＺｈｉｘｉａｎｇ，ＬＩＨａｎ，ＺＨＡＮＧＱｉｌｉｎ
Ｍｆ００００
ｔｆ
图１双向耦合求解策略Ｆｉｇ．１ＦＳＩｓｏｌｕｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ
＝。以ｔ时刻为起点，当需要求解ｔ＋ｔ时刻的变量 τ Δ
１５］时，其求解过程如下［：
０
０
０００
Ｍｆ００Ｍｆ０００
１２－１４］。频域法认为索网在初始变究结构的风致响应［
对平
面索网玻璃幕墙的静力性能进行了试验及数值模拟，研究表明，玻璃对结构的整体刚度有一定贡献，结构整体挠度与索直径和预张力也有一定关系，玻璃胶对降低索网挠度有一定贡献，对索网应力影响不大。考虑
基金项目：“ 十二五” 科技支撑计划（２０１１ＢＡＪ０８Ｂ１０）；国家自然科学基金项目（５１３７８４２８）；中央高校基金青年科技创新项目（Ａ０９２０５０２０５１２０８－６１）收稿日期：２０１３－０９－１２修改稿收到日期：２０１３－１１－２８第一作者闫雁军男，博士生，１９８３年６月生通信作者余志祥男，副教授，硕士生导师
（５）核实应力和位移的残差是否满足要求。如果不满足要求，则返回第一步，继续迭代求解变量，直到收敛。迭代步如果超出设定的上限值，程序会自动终止并提示不收敛。双向迭代算法思路清晰，可以依托现有的ＣＦＤ和ＣＳＤ软件，理论难度大大降低，仅需要提高流固耦合界面上数值跟踪精度即可获得较为理想的解。１．３收敛判断准则由于流体方程是非线性的，流固耦合方程也具有非线性特性。求解方程的过程实质上是一个反复迭代逼近真实解的过程。在迭代过程中，需要设立应力（公５））或位移（公式（６））准则来判断是否收敛。式（ｒ τ≡ ｒｄ≡ τ ｆｆ－τ ≤ε τ ｋｍａｘ｛τ ，｝ ε ０ｆ
ｆ ρ ００ｆｐ＋０ｆｕＬ ·σ ｆｆｓｆｓ＋ｆｕｓｆｕ０ｆｓ
（３）（４）
（１）
（４）结合初始条件，求解流体节点位移；
ｋｋｋ－１ｄｄ１－λ ）ｄｄｄｓｆ＝λ ｓ＋（