复杂大跨度屋盖结构的风荷载特性及抗风设计研究

随着经济的发展、科技的进步，各种外形独特、结构形式新颖的大跨度屋盖结构大量涌现。大跨度屋盖结构因具有质量轻、柔性大、阻尼小等特点，风荷载一般是结构设计的控制荷载之一。由于大跨度屋盖结构在风荷载和结构特性方面的复杂性，至今还没有建立起有效的风振响应分析方法。本文围绕大跨度屋盖结构抗风分析与设计中的关键问题——体型系数、风振系数、基本风压，从风压分布特性分析、围护结构风压取值、静风效应及静风稳定性分析、风致振动特性分析及抗风设计方法等方面入手，对大跨度屋盖结构的抗风分析与设计展开系统研究。本文主要进行了以下几个方面的工作： 1、大跨度屋盖表面风压分布特性的研究。结合北京奥运乒乓球馆和泉州市海峡体育中心体育馆的刚性模型风洞试验，对复杂大跨度屋盖表面的平均风荷载和脉动风荷载特征进行了详细分析，得出了有关大跨度屋盖表面风压分布的一些具有共性的规律。在前一个试验中还考虑了有无周边建筑两种情况下屋盖表面上的风压分布，探讨了周边建筑对屋面风压分布的干扰影响。 2、大跨度屋盖结构的静风效应及静风极限承载力分析。利用风洞试验数据，对屋盖结构进行了静力风荷载效应分析，讨论了最不利风向角的确定方法。同时引入结构几何非线性、材料非线性以及支承条件的非线性，进行了屋盖结构的静风极限承载力分析，研究了初始预应力、支承条件等因素对屋盖结构静风极限承载力的影响。 3、大跨度屋盖结构的风致振动特性研究。在大跨度屋盖风压分布特性研究的基础上，探讨屋盖表面脉动风压的形成原因。由风洞试验测得的测点风压系数时程，经过一系列转换和修正，得到节点的脉动风荷载时程数据，进行风振响应的时程分析。结合风振响应的分析结果，研究了大跨度屋盖结构的风振形式和风振机理，探讨了风振系数的取值，并分析了初始预应力、支承条件等对屋盖结构风振响应的影响。 4、大跨度屋盖结构的抗风设计方法的研究。结合大跨度屋盖受风灾破坏的实地调查结果，对我国荷载规范中基本风压的取值规定提出质疑；借鉴有关抗震设计标准和规范，提出适合于大跨度屋盖的抗风设防标准和抗风设计方法，并结合北京奥运乒乓球馆屋盖结构进行了抗风分析：分析和总结了大跨度屋盖结构设计和建造方面的问题，初步探讨了一些适合大跨度屋盖的抗风概念设计和抗风构造措施。 5、大跨度屋盖围护结构的设计风荷载研究。研究国外荷载规范和我国荷载规范，对围护结构风荷载取值的规定进行比较。结合风洞模型试验，对比分析了规范方法和统计方法两种方法的风压计算结果，研究大跨度屋盖围护结构的边角区域风压分布特性，探讨了屋面和幕墙风荷载的取值，并研究了阵风系数的取值范围，对围护结构的抗风设计提出了一些建议。