土木工程防灾国家重点实验室风洞试验室
大跨度屋盖结构跨度的大小是和时代相关联的。人们要营造大的空间,取决于两个条件:一是有足够强度的材料,二是有运用材料进行建造的技术。只有具备了这两个条件,才能以一定跨度的屋盖来覆盖所需的空间。中国古代工匠采用木材构筑的梁柱结构,最大的宫殿或寺庙也只有20~30米,古罗马人用砖石建造拱顶或穹顶,跨度达到了40多米,这也许是在当时的材料与技术条件下所能建造屋盖的最大跨度了,然而其结构本身则又厚又重。二十世纪水泥与钢铁等新型材料的出现使人类拥有了强度远超过砖石的材料,同时力学在建筑结构上的飞速发展使得大跨度屋盖的结构体系日新月异。上世纪初,以水泥和钢为基本材料的钢筋混凝土薄壳首先运用到大跨度屋盖结构上。其后,以钢或铝合金杆件组成的网架及网壳结构、以钢索制成的悬索结构使屋盖的跨度发展得越来越大。近年来以合成材料制成建筑丝物来受力的膜结构,更将大跨度屋盖结构推向新的水平。从古罗马的万神殿到当今英国伦敦的“千年穹顶”,其直径由42米扩大到320米,而屋盖结构的自重却从砖石穹顶的6400kg/m2减少到膜结构的20kg/m2。这生动地说明了大跨度屋盖结构发展的历程及其在技术上的进步。我国自二十世纪七十年代末实行改革开放政策以来,建造了许多大跨度屋盖结构,2008年北京奥运会和2010年上海世界博览会更是兴建了许多建筑外形独特、结构新颖的大跨度屋盖结构。
可以从不同的角度对大跨度屋盖结构进行分类。从大跨度屋盖结构体系的角度,可分为:1、平面杆系结构,包括桁架、拱、门式刚架等结构体系;2、空间杆系结构,包括网架结构、网壳结构、立体桁架等结构形式;3、悬索体系,以受拉钢索为主要承重构件的结构体系,包括单层索系、双层索系、横向加劲索系及索网等;4、膜结构,是空间结构中最新发展起来的一种类型,它以性能优良的织物为材料,或是向膜内充气,由空气压力支撑膜面,或是利用柔性钢索或刚性骨架将膜面绷紧,从而形成具有一定刚度的大跨度结构体系。
根据屋盖结构的刚度大小又可分为刚性屋盖结构、非大变形柔性屋盖结构、大变形柔性屋盖结构三类。对于刚性屋盖结构,计算其风振响应时认为能忽略风振的动力放大效应,可把脉动风对结构的作用视为一个准静力过程来分析,即只考虑背景响应部分,共振响应可忽略不计;对于非大变形柔性屋盖结构,由于振动幅度小,结构和来流之间的互相耦合作用可以忽略,但风振引起的惯性力不能忽略,即风振响应同时包括背景响应和共振响应两个部分;对于大变形柔性屋盖结构,振动幅度比较大,所以必须考虑结构和来流之间的互相耦合作用。此时如果仅利用刚性模型的风洞试验结果就不能正确地预测结构上的风荷载。大变形柔性屋盖结构的风致振动响应一般也包括背景响应和共振响应两个部分。
大跨度屋盖结构抗风研究的主要内容大致包括获得气动力的方法(包括试验和数值模拟方法)、动力响应的计算、结构风致振动特性及静力等效风荷载方法等方面。下面对这几个方面进行简单介绍。
风洞试验在实验室里模拟大气边界层的实际风环境和实际建筑结构,进而从实验室中的模型风效应考察实际结构风效应。由于在人为控制条件下进行结构风效应的再现,其工作效率很高。对于复杂环境下,有复杂外形的建筑结构的风效应研究,用其它手段很难进行时,风洞试验只需对实际条件作适当的简化就可以到达研究的目的。风洞试验中的刚性模型测压试验实际上就是一种模拟非定常风荷载的方法。试验正确模拟建筑物的外形及周边环境,所以获得的非定常风荷载比较准确。这样得到的非定常气动力并不能马上施加到理论模型上进行风致振动的计算。针对试验过程中产生的信号畸变,需用数值方法进行修正。另外,由于试验依据一定的相似律进行,因此还需对信号进行一系列的变换,方能得到相应于实际风场中的非定常风荷载。
在研究结构的风致振动问题时,一般把风荷载表示为一个平稳随机过程。根据风荷载的随机性质,可按照随机振动理论分析结构响应。用于工程结构随机振动分析的方法可分为频域分析方法和时域分析方法两类,同时确定性的时程分析方法也用来计算大跨度屋盖结构的风致响应。
上世纪60年代,Davenport采用随机过程的方法来描述风荷载,成为风工程发展过程中的里程碑。然而,如果直接用随机振动理论来进行结构设计,即使对于简单结构,计算过程也过于复杂。因此,人们探寻了一种便于工程设计人员接受的方法——利用静力等效风荷载来计算结构在风荷载作用下结构的响应。所谓静力等效风荷载,就是当这个等效荷载作为静力荷载作用于结构上时,它引起的结构某一响应与实际风荷载作用时该响应的最大值一致。静力等效风荷载是联系风工程师和结构工程师的纽带,结构工程师利用风工程师提供的静力等效风荷载进行结构分析或者与其它荷载进行组合。
目前大跨度屋盖结构的抗风研究尽管已取得了很大的进展,但仍然有许多问题值得我们去探索。
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