基于风洞试验数据库的大跨屋盖结构抗风优化设计方法

本项目以我国目前应用最为广泛的两类大跨屋盖结构体系（大跨门式刚架轻型房屋建筑和大跨平屋面结构）为例，在基于现有刚性模型风洞测压试验数据库研究成果的基础上，应用神经网络方法，模拟实际大跨屋盖结构表面任意一点位置的风压时程；同时结合当地长年积累的风速风向分布气候资料，建立起其风速风向分布的概率模型；再运用时程动力分析方法对所研究的对象进行全风向的结构风致振动响应分析。在此基础上，结合大跨屋盖结构风洞测压试验数据库，研究和探讨大跨屋盖结构在承受动力风荷载作用下的结构抗风优化设计方法。本项目是一个集风洞试验、结构有限元分析、神经网络及工程结构优化设计理论等多学科知识为一体的综合性研究，将改进和完善大跨屋盖结构的抗风设计理论和方法，提高其抗风设计的科学性、合理性、经济性和安全性。

分别以平面屋盖和曲面屋盖为研究对象，基于模糊神经网络风压预测技术，并综合考虑风速风向，对大跨屋盖结构的抗风优化方法进行系统研究。通过计算流体动力学(Computational Fluid Mechanics, CFD)方法模拟门式刚架厂房表面的风压分布特性，通过有限差分法对广州国际会展中心屋盖进行模型参数敏感度分析，基于现场动力测试结果和改进BP算法对广州国际体育演艺中心屋盖进行模型修正。通过日本东京工艺大学(Tokyo Polytechnic University)风洞试验数据库构造GLF法和LRC法等效静力风荷载，由最优准则法建立变截面门式刚架的抗风优化数学模型，分别考虑离散、连续优化变量和柱脚、节点不同刚度等情况。将量子粒子群算法(Quantum-behaved Particle Swarm Optimization, QPSO)引入大跨屋盖结构的离散变量抗风优化中，引入约束违反协调系数，建立了一种适应值函数修正模型，充分考虑了不同性质约束的惩罚力度之间的差异性。根据拉丁超立方设计法和kriging插值法建立大跨屋盖抗风优化的代理模型，获得样本数量、回归模型阶次和相关函数类型对代理模型预测精度的影响规律。基于风洞试验获得屋盖上最不利风荷载，分别采用等效风荷载法、时程分析法、复形法对广州国际会展中心E区屋盖进行抗风优化分析。通过应力比法、齿形法和拉格朗日乘子对双层柱面网壳进行抗风优化，编制的程序整合了有限元计算和优化分析两部分，讨论了杆件截面积下限、设计变量初值、调整步设置等对优化结果的影响。研究表明，通过风压模拟和模型修正可较为方便准确地获得进行结构优化分析的风荷载和模型，最优准则优化法具有收敛速度快、受结构规模影响小等优点，QPSO算法用于大跨屋盖结构抗风优化时具有较强的全局寻优能力且收敛结果稳定，而采用代理模型可使结构抗风优化问题得到简化，但建立代理模型时宜采用三次样条函数作为其相关函数。复形法用于复杂屋盖结构的抗风优化可使构件材料性能得到合理利用和内力状态得到较好协调。增加射线步是解决屋盖抗风优化中最大应力比过大的有效方法，齿形法中设定截面积下限后优化计算得到的杆件受力更加协调。