膜结构风荷载和风致响应研究进展

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振 动 与 冲 击 2006年第 25卷
的脉动风压不但与来流的湍流特征有关 ,而且因流动 分离 、旋涡迁移和再附 ,受到特征湍流的影响 。
膜材料不具有弯曲刚度 ,膜面刚度主要由预张力 和互反曲面所构成的几何刚度提供 ,膜结构通常为典 型的大变形柔性体系 ,许多基于频域的随机振动分析 方法不再适用 。
图 1 丹佛国际新机场
图 2 伦敦千年顶
由于膜材料柔软 、质量轻的特点 ,膜结构对地震荷 载有良好的适应性 ,对风的作用却十分敏感 ,风荷载是 该类结构设计中的主要控制荷载 。合理估计膜结构的 风致动力响应并采取有效措施保证结构的强度和耐久 性 ,是膜结构设计中的重要环节 。佐治亚穹顶建成 3 年后的 1995年 ,即在一次强风大雨袭击下有四片薄膜 被撕裂 ,撕裂长度达 10余米 。佐治亚穹顶的原设计风 速是 128km / h,而事故发生当天的最大风速记录只有 80km / h (杨庆山 , 2002[ 37 ] ) 。韩国为 2002 世界杯建造 的济州岛体育馆 ( Cheju World Cup Stadium )的膜屋盖 曾先后两次在台风袭击下出现膜材撕裂的现象 。国内 亦有一些膜结构被风撕毁的报道 。尽管如找形 、静力 荷载分析 、裁剪等一系列膜结构设计的问题都已经取 得长 足 的 进 展 ( Haber & Abel, 1982; Uetani et al. ,
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常效应 (Holmes, 2004) ,几乎不可能根据解析或经验公 式给出外形各异的膜结构的风荷载分布特性 ,一般通 过结构模型测压试验获得 。
膜结构 振 动 必 然 带 动 周 围 的 一 部 分 空 气 随 之 振
动 ,由于膜材非常轻 ,诱导空气振动的能量不可忽略 。 M inam i(1998)在薄翼理论框架内 ,分析了顺风向对边 简支 、其余两边无约束的平坦矩形膜结构在不可压缩
由于膜结构在风荷载下的振动幅度比较大 ,结构 运动将影响周围风场从而改变作用于结构的风荷载 , 存在风与结构的相互作用 ,即气动弹性效应 。结构分 析时不再仅仅针对其自身 ,而是结构和风相互作用所 构成的系统 。
结构绕流复杂 、几何非线性明显 、气动弹性效应不 可忽略正是造成膜结构抗风研究困难的主要原因 。鉴 于膜结构风致振动的特殊性 ,一些针对高层建筑和桥 梁结构的 风 振 分 析 方 法 在 这 一 问 题 的 研 究 中 受 到 限 制 ,目前国内外在这一领域的研究尚处于探索阶段 。
3 结构风振响应研究
311 气动力和气动弹性力
风工程研究中 ,常将作用于结构的气动力 F ( t)分
解为平均分量 F、脉动分量 Fb (抖振力 )和气动弹性力
Fse (自激力 )三个部分
..
·
M s X + Cs X + Ks X = F ( t) = F + Fb + Fse
(1)
自激力体现了风和结构的相互作用 , 又可进一步分解
第 25卷第 3期
振 动 与 冲 击 JOURNAL OF V IBRATION AND SHOCK
Vol. 25 No. 3 2006
膜结构风荷载和风致响应研究进展 3
顾 明 陆海峰
(同济大学 土木工程防灾国家重点实验室 , 上海 200092)
摘 要 膜结构是近年来在大跨度空间结构中广泛采用的结构形式 。由于膜材料柔软 、质轻的特点 ,膜结构对风
积附加质量的表达式为
M = 0. 68ρl
(3)
式中 M 为附加质量 , ρ为空气密度 , l为膜结构跨径 。
Yadykin et al. (2003)拓展了 M inam i (1998)的研究 ,分析
了仅在来流前缘约束的矩形柔性平板 ,结构沿展向可为
任一阶自振振型 ,并采用三维气动力模型 ,得到了附加质
Kawamura, 1986; M atsumoto, 1990: M inam i et al. , 1993; V itale & Letchford, 1999)和张拉膜结构 ( Irw in & W ardlaw, 1979; Uem atsu & Uchiyama, 1986; 向 阳 等 , 1998) 。
的作用却十分敏感 ,风荷载是该类结构设计中的主要控制荷载 ,在响应分析中必须考虑气动弹性效应 ,但至今仍没有行之 有效的分析方法 。从风洞试验研究 、响应分析方法和数值模拟等方面详细评述了膜结构风致振动的研究进展 ,并给出了 今后研究的建议 。 关键词 : 膜结构 ,风致振动 ,气动弹性
中图分类号 : TU393. 3 文献标识码 : A
2 风洞试验研究
目前膜结构风荷载和风致响应研究的主要方法是 风洞试验 。通过刚性模型试验获得外加风荷载 ,通过 气弹模型试验获得膜结构的响应特征 。但由于问题的 复杂性 ,关于膜结构风洞试验的相关研究还很少 ,有重 要参考价值的文献则更少 。研究涉及到的膜结构形式 有气承式膜结构 ( Kassem & Novak, 1992; M atsumoto, 1992) 、单向悬挂膜结构 、(M atsumoto, 1983; Kimoto &
为和加速度 、速度和位移分别相关的部分
..
·
(M s +M a ) X + ( Cs + Ca ) X + ( Ks + Ka ) X
= F + Fb
(2)
M a 称为气动质量 、Ca 为气动阻尼 , ka 为气动刚度 ,可以
通过近似方法处理自激力 。抖振力通常需要考虑非定
第 3期 顾 明等 : 膜结构风荷载和风致响应研究进展
本文从风洞试验 、风振响应计算和风荷载数值模 拟这三个 主 要 方 面 总 结 了 膜 结 构 抗 风 研 究 的 研 究 状 况 ,指出了存在的问题 ,并讨论了值得研究的方向 。
1 膜结构风振的特点
膜结构的应用始于 1970年代 ,最早出现的是充气 膜结构 ,早期的研究也主要针对充气膜结构 ,后来随着 张拉膜结构的广泛应用 ,研究重点也向此方向转移 。
上述文献中对膜结构的振动形态和可能引起气弹 失稳的原因还存在不同的认识 ,尚未得到可以明确地 用于实际结构设计的规律 ,因此 ,仍需通过仔细的试验 进一步澄清膜结构风致振动的形态 ,给出气弹效应的 定量描述 。
对复杂 几 何 形 状 的 膜 结 构 进 行 气 弹 模 型 风 洞 试 验 ,无论是模型制作还是风洞试验技术都有相当的难 度 ,需要满足严格的相似要求 、保证测试数据的足够精 度 。 Tryggvason ( 1979 )分别考查了弹性刚度误差对张 拉膜结构静力变形和自振频率的影响 ,认为弹性刚度 相似可以适当放松 。 Irw in & W ardlaw ( 1979)则认为气 动质量效应十分突出 ,允许适当放松结构质量相似 。 尽管如此 ,作者认为 ,为了研究膜结构风致振动的气弹 效应 ,在确定气弹模型的相似比时应十分谨慎 。
2000; B letzinger & Rammb, 2001; M aurin & Motro, 1998; Shim ada & Tada, 1991) ,但和高层 、高耸 、桥梁结 构相比较 ,膜结构至今仍没有一套令人满意的风致振 动分析方法 ,不能满足设计和使用的需要 。这种状况 近几年来正逐步受到了工程界的关注 。
Kassem & Novak (1992)进行了一半球形气承式膜 结构的气弹模型试验 ,比较了风速 、地面粗糙度 、内压 和内部封闭体积对结构风振响应的影响 。试验表明 , 结构响应的均值和平均风速的平方近似成正比 ,结构 响应是一 个宽 带过程 , 在 自振 频率 附近 没有 出现共 振峰 。
Kimoto & Kawam ura (1986)对比了单向悬挂膜结构 在不同垂跨比 、质量比和湍流强度下的气动稳定性 。 试验观测到结构振幅随风速提高出现若干峰值 ,峰值 处对应不同的气弹失稳临界风速 。作者认为 ,单向悬 挂膜结构气弹失稳的必要条件是总阻尼 (结构阻尼和 气动阻尼之和 )为零 ;结构在较低临界风速失稳后跳跃 到势能较低的高阶振动模态 ,失稳临界风速逐级提高 。 M atsumoto (1990)亦观察到特定风速下结构响应脉动的 均方根迅速增大的现象 ,并指出结构前缘产生并向后 缘迁移的 分 离 涡 与 此 时 膜 面 的 反 对 称 振 型 的 相 互 作 用 ,才是单向悬挂膜结构产生气动失稳的原因 。M ina2 m i et al. (1993)认为单向膜结构发生气弹失稳的前提
膜结构多为复杂的三维空间曲面 ,建筑造型鲜有 雷同 ,这就导致结构表面风压分布的个体差异显著 。 由于膜结构的水平跨度往往大于垂直高度 ,结构表面
3 国家自然科学基金优秀创新群体基金 (50321003)和教育部“高等学校骨干教师资助计划 ”项目 收稿日期 : 2005 - 02 - 15 第一作者 顾 明 男 ,教授 , 1957年 8月生
是膜中的预张力不足 ,进而研究了不同初始预应力状 态和支撑条件下单向悬挂膜条的风致振动形态 。
Irw in & W ardlaw (1979)详细介绍了蒙特利尔奥林 匹克体育馆 (Montreal O lymp ic Stadium )可收缩式索膜 屋盖气弹模型的制作过程和主要试验结果 ,试验发现 气动质量对轻质屋盖振动的影响十分显著 ,甚至起控 制作用 ,此外还认为 ,声致阻尼的影响导致结构总是趋 向于 以 体 积 守 恒 的 模 态 振 动 。Uematsu & Uchiyama (1986)对四周封闭 、底部通风的菱形双曲抛物面的张 拉膜结构进行了详尽的刚性模型和气弹模型的风洞试 验 ,比较了膜材厚度 、质量 、预张力不同的 9 组模型在 不同风速 、风向角 、湍流强度下的位移 。试验表明 ,由 于平衡位置的变化导致刚度变化 ,从而引起结构振动 频率随着风速的提高有所偏移 ;各模型测点位移的平 均值近似地和风速的平方成正比 ,不受预张力的影响 。 该试验注意到无论在均匀场还是紊流场 ,某些测点在 特定风向角下 ,振幅脉动的均方根随风速的提高出现 跳跃现象 ,跳跃的峰值对应于结构的相应自振频率 ,文 中将之解释为气动负阻尼引起的 。
0 引 言
膜结构是以建筑织物 ———膜作为覆面材料和受力 构件的一种空间结构形式 。通过高强度 、柔性的薄膜 材料与支撑体系的结合 ,形成具有一定刚度的稳定曲 面来承受外荷载 ,在大跨度空间结构中得到日益广泛 应用和蓬勃发展 (B arnes & D ickson, 2000[ 1 ] ; B radshaw et a1. , 2002[ 4 ] ) 。建于 1994年的丹佛国际新机场 ( The new Denver International A irport,图 1)平面尺寸 305m × 67m ,由 17个连成一排的双锥膜单元覆盖 ,充分体现了 膜结构造型自由轻巧 、制作简易 、安装快捷 、节能等优 点 ,已成为当地的标志性建筑 (Berger, 1999[ 2 ] ) ;新千年 到来之际 ,建于伦敦的千年顶 ( The M illennium Dom e, 图 2)则集中体现了 20世纪建筑技术的精华 (B arnes & D ickson, 2000) 。
量、振型阶数 、矩形平板长宽比的相互关系 :附加质量随
振型阶数的升高而减小、随矩形平板长宽比增大而减小 ,
高阶振型时长宽比对附加质量的影响减弱 。
膜结构的阻尼 (包括结构阻尼和气动阻尼 )非常难 确定 , Irw in & W ardlaw (1979) 、Sun et al. (2003)认为结 构振动能量以声波的形式向外传播 , 以声致阻尼 ( a2 coustic damp ing)的形式处理气动阻尼 。此外 ,亦有文 献 (毛国栋等 , 2004)针对下部封闭的薄膜结构 ,由振动 时封闭 体 积 的 变 化 会 引 起 的 内 外 压 差 得 到“气 承 刚
Baidu Nhomakorabea
势流下 的 附 加 质 量 ( adde dmass, ( 2 ) 式 中 的 气 动 质
量 ) ,该附加质量从膜结构振动和诱导空气振动的能量
关系导出 ,只考虑了结构沿跨向的第一阶振型 (半正弦
波 ) 。其数值计算结果表明 ,附加质量和结构的振动频
率 、振幅均无关 ,仅和空气密度 、跨径有关 ,获得单位面