大跨屋盖结构等效静风荷载精细化理论研究

近几十年来,大跨屋盖结构得到了前所未有的发展,被广泛用于体育场馆、会议展览中心、机场航站楼等大型公共建筑中。随着大跨屋盖结构向长大化和轻质化的方向发展,结构对风荷载的敏感性日益增强,风荷载已成为该类结构设计中的主要控制荷载。与此同时,关于大跨屋盖结构的抗风设计理论还相当薄弱,这已成为制约这种结构类型进一步发展的瓶颈。因此对大跨屋盖结构的抗风设计理论和方法进行系统研究,具有十分重要的理论意义和工程价值。 本文在深入探讨大跨屋盖结构风振响应本质特征的基础上,指出大跨屋盖结构抗风理论研究的核心是要解决多荷载形态、多响应振型和多等效目标问题。针对上述特点,并借鉴高层、桥梁结构的等效静风荷载理论,提出了大跨屋盖结构等效静风荷载研究的精细化思想。该思想可表述为,应从风荷载的作用机理和结构的风振响应规律两方面入手,来研究等效静风荷载问题,力求建立等效静风荷载与风荷载基本特性以及结构自身动力特性之间的联系,从而使等效静风荷载具有更明确的物理内涵。 以等效静风荷载研究的精细化思想为指导,建立了大跨屋盖结构等效静风荷载研究的系统方法,对等效静风荷载研究提出两项改进措施:1)严格定义了多自由度体系的背景响应和共振响应,提出了背景响应和共振响应相关性的分析方法,为将风振响应和等效静风荷载分成平均分量、背景分量和共振分量三部分奠定了理论基础;2)引入了一些能更加准确地描述大跨屋盖结构的风荷载和风效应的精细化方法,如本征正交分解法(POD法)、Ritz向量直接叠加法和荷载响应相关系数法(LRC法)等。 提出了一种高效的结构风振响应频域分析方法—Ritz-POD法。该方法用本征正交分解法(POD法)分解脉动风压场,得到占优的前几阶本征模态作为荷载的空间分布形式;以此荷载空间分布形式生成Ritz初始向量,用Ritz向量直接叠加法分析结构风振响应,以此解决大跨屋盖结构多振型参与振动且高阶振型对结构响应贡献可能较大这一问题。与传统振型分解法相比,Ritz-POD法仅用少量的Ritz向量进行结构风振响应分析便可达到较高精度。 以本文给出的多自由度体系的背景响应和共振响应定义为基础,将大跨屋盖结构风振响应分析简化为一个简单的准静力分析问题和一个只需考虑少