导　　师： 韩大建

学科专业： H1402

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 近年来，大跨度柔性屋盖结构已经广泛应用于各类大型体育场馆、展览中心等建筑结构中。这种结构具有质量轻、柔度大、自振频率低的特点，风荷载是其结构设计的控制荷载。对于这种几何非线性强的结构，频域法已不再适用，而时域法就成为求解结构风振响应的唯一有效途径。在时域分析法中，随机风压场数值模拟方法和响应分析方法是最基本的理论性和技术性的问题，也是本文的主要研究内容。本文以佛山世纪莲体育场大跨度张拉索膜屋盖结构为研究背景，在随机风速场的生成、非高斯风压场的模拟、屋盖结构的风振响应分析以及小波包时频变换在结构抗风分析中的应用等方面进行了深入的研究。
　　 目前，谐波合成法是高斯随机过程模拟的重要方法。本文在谐波合成法的基础上，结合本征正交分解法和B样条曲面插值技术，首次提出随机风速场两步快速模拟法。工程算例分析表明，两步快速模拟法具有计算精度高、效率高和节省内存的显著优势，适用于大型屋盖抗风计算分析。
　　 国内外一些风洞试验已经揭示出屋盖风压的非高斯特性。针对这个特点，本文通过理论推导，提出非高斯随机风压场模拟的指数函数模型和三次多项式模型。其分析思路是：将非高斯风压过程表达为虚拟高斯过程的四参数函数形式，分别推导了两种模型相应的非线性方程组和相关函数的转换关系，从而将非高斯过程的模拟与高斯过程的模拟联系起来。将上述模型与本征正交分解法相结合，提出了屋盖结构非高斯随机风压场两步快速模拟法。通过工程算例分析，全面检验了所提出的新方法的模拟效果。结果表明，本文方法模拟精度高、计算效率也高。指数函数模型和三次多项式模型需要内存较大，而两步快速模拟法有效降低了内存需求，提高了计算效率，解决了风场模拟点多且模拟时程长的计算困难。
　　 在生成屋盖随机风压场后，通过非线性有限元分析可求出其风振响应。在佛山世纪莲体育场屋盖的风振响应分析中，针对高斯风压场作用，研究了风速和索膜结构初应力这两个参数对结构响应的影响。为了提高参数分析的效率，本文采用非线性有限元分析与人工神经网络相结合的方法，寻找结构响应统计量及风振系数与影响参数之间的关系，从而为设计风荷载的选取和结构构件响应极值的确定提供了科学依据。针对非高斯风压场作用，研究了响应的概率分布特性。发现其服从WEIBULL分布，从而确定了WEIBULL分布的三个参数，并求出有一定保证率的响应极值。
　　 在大跨度柔性屋盖风振分析中涉及到大量随机信号的功率谱计算，包括风荷载和结构响应两类信号。对于各种响应时程，难以分离出背景响应和共振响应两个分量。为了解决这些问题，本文提出基于小波包分析的随机信号功率谱计算方法，并提出功率谱计算结果的验证准则。由于该法有效地利用了小波包时频变换特性，不但完成了大跨度屋盖结构各种响应的功率谱计算，而且实现了背景响应时程和共振响应时程的分离。
　　 最后尝试采用ADINA软件研究组合马鞍形柔性结构的流固耦合风振响应特性。

关 键 词： 大跨度柔性屋盖结构 风压场模拟 风振响应 时域分析 小波包变换 自振频率 结构设计

分 类 号： [TU312.1]

领　　域： [建筑科学]