单层三向网格球面网壳结构抗风性能研究

吴泽家 唐永艳 张云海

【摘要】采用线性过滤器中的自回归模型，模拟节点随机脉动风速时程，运用Matlab编程有效地模拟具有时间相关性、空间相关性的脉动风速时程。用有限元软件ANSYS建立单层三向网格球面网壳结构的有限元模型，进行了水平风作用下的风致振动响应分析，得到了3种工况网壳结构的位移和内力风振系数。

【关键词】网壳结构；风振分析；风振系数；空间相关；风速曲线

Numerical simulation on wind-resistant of single-layer

three-way latticed Shell

Abstract： The method based on the application of linear filters to sequences of random numbers is used. Artificial wind time speed series with outstanding time and space correlativity are implemented by programming Matlab. Then the paper models by ANSYS...a large-scale current finite element analytical program.The wind-induced vibration analyses for the latticed dome under horizontal wind loading are finished. For three kinds of load cases， the wind induced vibration coefficients of displacement and internal force of latticed dome are calculated.

Keywords： reticulated shell structures；wind-induced vibration analysis；wind induced vibration coefficient；spatial correlativity；wind histories

风灾是自然灾害中发生较频繁的一种。国内外统计资料表明，在所有自然灾害中，风灾造成的损失为各种灾害之首[1]。高层、高耸、大跨、悬索桥以及塔架等结构，相对而言，刚度小、自振周期长，在大多数情况下它们所受的风荷载比地震荷载还显得重要。

网壳结构是大跨空间结构的一种，目前，我国现行规范对大跨度结构的风振计算还没有具体计算公式，结构设计人员在结构风振系数的取值上存在相当的经验性[2]。因此，对网壳结构进行抗风性能的研究具有重要现实意义。

1、风荷载的特性及计算机模拟

利用Matlab软件，考虑时间及空间相关性，编制了水平风速随机模拟程序，生成了基本风速为25m/s、地面粗糙度系数为0.00464、持时100s的风速时程曲线，如图1所示。 2、单层三向网格球面网壳风振响应分析

利用有限元软件ANSYS建立单层三向网格球面网壳结构的有限元模型，用Mass21单元来模拟等效节点集中质量，用Beam4单元来模拟网壳杆件，通过瞬态动力学分析来实现网壳结构的风振响应时程分析。

选取基本参数为：网格正三角形边长2m，跨度为20m，矢跨比分别为1/6、1/8、1/10，屋面均布荷载0.5kN/m2，周边与支座连接节点为固定铰支座，支座离地面高度为10m，基本风压0.55kN/m2，C类地貌，风载体型系数按规范中旋转壳顶的体型系数选取。结构阻尼比为0.02，杆件均采用φ123×5。

图1 计算机模拟的空间两点的风速曲线

Fig.1 Two records of wind velocity simulated by program

图2 单层三向网格球面网壳平面及立面图

Fig.2 single-layer three-way latticed shell

为了便于技术人员使用，对单层三向网格球面网壳结构计算了风振系数，位移和内力风振系数的计算方法： ， 。式中， 、 分别为位移和内力风振系数， 、 分别为位移和内力响应的均方差， 、 分别为位移和内力响应的均值， 为峰值因子，取2～2.5[6]。计算的3种工况下网壳结构位移、内力风振系数如表1-4所示。

结论

利用Matlab软件，应用自回归模型实现了考虑时间、空间相关性的网壳结构脉动风荷载时程模拟。给出了单层三向网格球面网壳结构位移和内力风振系数，从表1-4中可以看出，风振系数在2.5上下波动，因此在对单层三向网格球面网壳结构实际计算时，为方便可统一取风振系数为2.5。

参考文献

[1]马昌恒.基于小波分析的风场模拟及大型储罐风致屈曲初步研究[D].大庆：大庆石油学院，2007.

[2]刘文洋.网架结构简化分析及球面网壳抗风数值模拟[D].大庆：大庆石油学院硕士论文，2006.

[3]包世华，方鄂华.高层建筑结构设计[M].北京：清华大学出版社，1989：41-43.

[4]王之宏.风荷载的模拟研究[J].建筑结构学报，1994，15（1）：44-51.

Wang Zhihong.Simulation of Wimd Loading[J].Building Structure，1994，15（1）：44-51.

[5]沈世釗，徐崇宝，赵臣.悬索结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1997：193-194.

[6]张相庭.结构风压和风振计算[M].上海：同济大学出版社，1985：72-73.