大跨悬挑屋盖风振响应参与模态分析

第29卷 第5期

2007年5月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol.29 No.5 M ay 2007

大跨悬挑屋盖风振响应参与模态分析

吴海洋1,梁枢果1,郭必武

2(1.武汉大学土木建筑工程学院,武汉430072;2.武汉建筑设计院,武汉430014)

摘 要: 根据援巴哈马体育场和援几内亚体育场主看台悬挑屋盖风洞试验数据结果,分析和探讨了采用频域分析法计算大跨度悬挑屋盖风振响应时应考虑的结构模态数和频率范围,得到强风作用下悬挑屋盖结构均方根位移与内力响应随参与计算的模态数和频率范围的变化规律,并从屋盖表面测点风压谱密度的角度解释了这种变化规律。

关键词: 大跨悬挑屋盖; 风洞试验; 风振响应; 参与模态

中图分类号: T U 312文献标志码: A 文章编号:1671 4431(2007)05 0089 05

Participant Mode Analysis of Wind induced Responses of Large

Cantilevered Roof

W U H ai yang 1,L IAN G Shu guo 1,G UO Bi w u 2

(1.School of Civ il and Building Eng ineering,Wuhan U niversit y,Wuhan 430072,China; 2.W uhan Architectural

Design Institute,Wuhan 430014,China)

Abstract: T he mode number and t he frequencies range,which were considered during calculating the wind induced respons es o f lar ge cantilevered roof by using the method of frequency do main,w ere analysed and di scussed,according to the results o f wind tunnel tests of Bahamas and Guinea stadium grandstand cantilevered roofs,and the rules that R M S displacement and RM S inter nal force responses under strong w ind for ce chang ing wit h part icipant modes number and frequencies r ange were obtained,and which could be explained fro m t he point of wind pressure pow er spectrum densities of the measured points on sur face of the roof.

Key words: large cantilevered roo f; wind tunnel tests; w ind

induced responses; participant modes 收稿日期:2006 12 12.作者简介:吴海洋(1981 ),男,博士生.E mail:wuocean1980@ 大跨度悬挑屋盖是大跨空间结构中最典型的风敏感结构,因其具有跨度大、结构柔、材料轻等特点,致使风荷载成为其结构设计的主要荷载之一。基于线性体系随机振动理论的频域分析方法是大跨度屋盖结构风振响应分析的首选方法。由于大跨度悬挑屋盖结构各阶固有频率分布密集、振动模态复杂,因此,运用频域法进行风振响应分析时,如何合理地选取参与计算的模态数或确定参与模态的频率范围成为必须首先解决的问题。针对这一问题,国内外许多学者都进行过深入的研究。模态加速度法的实质是对截断的模态位移响应叠加了荷载在剩余柔度上的响应[1],后者称为剩余位移[2]

。补偿模态法是基于模态对系统应变能的贡献作为选取振型的依据[3]。文献[4]基于Rize POD 法识别结构风振的主要贡献模态。然而,上述各种识别主要贡献模态的方法都需要进行大量繁琐的计算,而且得到的结果随结构形式的不同而异。如何定量地评价大跨度悬挑屋盖结构风致响应计算需要考虑的参与模态数或者频率范围是十分有价值的研究课题。另外,在采用频域法计算结构风致响应时,针对是否考虑振型交叉项,存在2种方法,即CQC [5]和SRSS [6]法。作者以2个实际工程为背景来分析大跨度悬挑屋盖风致响应与参与计算模态的关系,并且计算了当忽略振

型交叉项时计算得到的风致均方根响应相对于CQC 法的计算结果存在的误差百分比。

1 工程简介

援巴哈马体育场东西两侧均有钢桁架悬挑屋盖。

西侧主看台屋盖最大悬挑长度为22m,最大高度为29

m;东侧屋盖最大悬挑长度为13m,最大高度为21m 。

试验在汕头大学风洞实验室进行,模型几何缩尺比为

1/150,试验风速管安装高度为0.6m,风速为

10.9m/s,采样频率为390.63Hz 。其风洞试验模型

如图1所示。援几内亚体育场仅在一侧设有拱式悬挑屋盖。屋盖前沿拱为桁架拱,沿拱轴向跨度为283m,径向最大跨度约为57m,最大高度为51.5m 。此次试验在湖南大学HD 2风洞试验室中进行,模型几何缩尺比为1/200,试验参考点高度为0.5m,参考风速为10m/s,采样频率为625H z 。其风洞试验模型如图2所示。为了语言简洁,以下将援巴哈马体育场主看台悬挑屋盖简称为 援巴屋盖 ,而将援几内亚体育场主看台悬挑屋盖简称为 援几屋盖 。

2 响应计算参与模态数的分析

2.1 援巴屋盖均方根响应随参与计算模态数的变化规律

在援巴屋盖上均匀选取若干节点和单元作为参考节点和单元。图3所示为援巴屋盖选取的节点位置及风向角示意图。图4

所示为援巴屋盖选取的单元位置及风向角示意图。

计算悬挑屋盖正面迎风时的3个不利风向角下各参考节点的竖向均方根位移响应以及参考单元的均方根内力响应随参与模态数的增加而变化的规律,分别如图5和图6所示。从图中可以看出,无论对于节点竖向均方根位移响应还是对于单元均方根内力响应,当参与计算的模态数达到10阶的时候,其值就趋于稳定,而且对于同一节点或者同一单元,在不同风向角下,其均方根响应趋于稳定的快慢程度是也相同的。从而得出结论:对于巴哈马体育场主看台悬挑屋盖,当采用频域法进行风振响应分析时,只需要取前10阶振型模态

参与计算就可以得到足够精度的节点位移响应或者单元内力响应。

2.2 援几屋盖均方根响应随参与计算模态数的变化规律

同样,在援几屋盖上均匀选取若干节点和单元作为参考节点和单元。图7所示为援巴屋盖选取的节点位置及风向角示意图。图8所示为援巴屋盖选取的单元位置及风向角示意图。

计算悬挑屋盖正面迎风时的3个不利风向角下,各参考节点的竖向均方根位移响应以及参考单元的均方根内力响应随参与模态数的增加而变化的规律,分别如图9和图10所示,这里仅给出270!风向角变化规

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