考虑特征湍流的典型大跨屋盖结构风荷载描述及其抗风分析精细化

A theory framework of wind-resistant design for large-span roof structures has been established by using experience of high-rise buildings for reference. As the complexity and specificity of dynamic characteristics as well as the wind load characteristics for large-span roof structures, it makes the established theory framework can not be well applied to engineering practice, there are some key scientific issues should be solved. It will use wind tunnel tests ,CFD numerical simulation, theoretical analysis method to study the wind load characteristics and wind induced dynamic effects of large span roof structures in this project, striving to achieve a breakthrough in the following key issues: 1)Studying the influence law of signature turbulence to wind load of large span roof structures, building statistical experience model of wind load for typical and representative large span roof structures which considered the signature turbulence.2)Exploring the inherent relationship between the multi-mode vibration, modal coupling and wind load characteristic, as well as dynamic characteristics of large-span roof structures, proposing a efficient analysis method for wind-induced vibration response which is based on effective dominant modes selection and modal coupling consideration.3)Based on the two parts work as mentioned above, studying the equivalent static wind load which could take into account the multiple targets of wind-induced vibration response for large-span roof structures. As a result, it will accelerate the theory framework of wind-resistant design for large-span roof structures be well applied to the engineering practice, and improve the capability of large-span roof structures defending hurricane.

借鉴高层、高耸结构的抗风研究成果，目前已经建立起大跨屋盖结构的抗风设计理论框架，由于大跨屋盖结构动力特性和表面风荷载的复杂性和特殊性，要将这一理论框架应用于工程实际，有一些关键性的科学问题有待精细化深入研究。为此，本课题将采用风洞试验、CFD数值模拟和理论分析等方法对大跨屋盖结构表面风荷载特性和风致动力效应进行研究，力求在以下关键性问题上实现突破：1）研究特征湍流对屋盖表面风压场的影响规律，构建考虑特征湍流影响的典型大跨屋盖结构表面风荷载描述模型；2）探索大跨屋盖结构多模态参振、模态响应耦合与结构动力特性以及风荷载特性间的内在联系，建立基于模态响应耦合与参振模态准确选取的大跨屋盖结构高效风振响应分析方法；3）以前面两部分工作为基础，研究方便工程应用、兼顾多个响应控制目标的大跨屋盖结构风效应静力等效方法。从而加快推进大跨屋盖结构抗风设计理论服务于工程实践，以提高该类结构的风灾防御能力。

结构表面风荷载特性描述、风振响应分析和风效应静力等效是现有大跨屋盖结构抗风设计理论框架的三个主要环节，本项目针对上述三个环节中的关键问题进行了研究。对于结构表面风荷载特性描述环节：本项目借助风洞试验和数值模拟，研究得到了典型大跨屋盖结构表面平均、脉动风荷载分布规律，以及表面测点风压频谱成分的差别及变化趋势、并揭示了其形成机理，实现了基于结构表面不同区域风压频谱特性合理描述大跨屋盖结构风荷载信息。对于风振响应分析环节：本项目从模态空间分布和风荷载空间分布相关性强弱与模态对结构响应贡献程度的相互关系出发选取风振响应主要参振模态，考虑到大跨屋盖结构风荷载空间分布形式的不确定性，提出了通过低阶主要贡献模态间接考虑高阶模态与风荷载相关强弱的解决思路。在此基础上，结合低阶参振模态，考虑模态自振频率的影响，通过对模态响应方差矩阵的简化处理，构造了其等效矩阵，根据等效矩阵中对角线元素定义了模态参与系数，通过该系数方便的实现对主要参振模态的选取。以随机振动理论为基础，推导了大跨屋盖结构风致背景响应及其模态耦合项、共振响应及其模态耦合项以及背景响应和共振响应二者耦合项的计算公式，提出了考虑耦合效应的脉动风总响应实用组合方法。另外，还基于时程响应重新划分大跨屋盖结构风致背景响应和共振响应，其中背景响应能够考虑所有模态及其耦合项的贡献，引入模态能量概念，定义模态耦合系数，实现了共振响应强耦合模态的识别，在此基础上，结构总共振响应可以由各参振模态的SRSS（平方和开平方）组合结果叠加强耦合模态的贡献得到，从而避免了复杂的CQC（完全二次型）组合计算，实现了有效考虑模态耦合效应的目的。对于风效应静力等效环节：基于应变能等效原则，从保证结构整体安全的角度，得到了大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载。另外，还针对基于数值方法寻求统计意义上最优的多目标等效静力风荷载的思路，构造了与风振响应各分量对应的等效静力风荷载基本分量，并实现了所得多目标等效静力风荷载能够再现风振响应特性，同时提出对等效静力风荷载基本分量的缩减方法，实现了用较少的基本分量完成尽可能多的目标响应等效，提高了计算效率。通过以上研究工作，完成了项目预定的研究内容，取得了预期成果，所得研究成果对于完善和深化现有大跨屋盖结构抗风设计理论，并加快推进其指导和服务于工程实践具有重要意义。