基于约束加权最小二乘的多目标等效静力风荷载方法在大跨屋盖中的应用

为计算大跨屋盖多目标等效静力风荷载,采用约束加权最小二乘方法,设基本向量为完全三分量单目标等效静力风荷载,推导了一种完全三分量多目标等效静力风荷载方法。以一个开孔屋盖为例,进行了刚性模型测压风洞试验,研究了该屋盖的单目标和多目标等效静力风荷载。结果表明:单目标和多目标等效静力风荷载的分布形状相似,多目标等效结果大于单目标等效结果;采用单目标等效静力风荷载方法,精确等效节点的等效位移与实际位移完全相等,但其它等效节点的等效位移明显偏离实际位移,最大误差可达72.1%;而完全三分量多目标等效静力风荷载方法下的其它等效节点的等效位移与实际位移相差较小,最大误差仅为6.1%,适合大跨屋盖等效静力风荷载的多目标等效。

大跨度桥梁多目标等效静力风荷载基向量法

由于结构抖振响应计算复杂,目前主流风荷载设计规范均采用等效静力风荷载做等代替换。文中以桥梁结构为研究对象,对抖振响应的多目标等效静力风荷载计算方法进行研究。首先,采用经典的荷载-响应相关(LRC)法获得大跨度桥梁主梁各节点处的等效静力风荷载向量,并组成荷载矩阵FLRC;其次,采用本征正交分解(POD)技术获得FLRC的本征模态矩阵ΦLRC;然后,以主梁的抖振响应极值为等效目标,选取ΦLRC的前i阶本征模态作为构建等效静力风荷载的基向量,获得最小二乘意义的多目标等效静力风荷载;最后,以东海大桥为例对该方法的有效性进行验证。结果表明,由于ΦLRC同时包含了脉动风荷载和抖振响应的主要信息,同时是依据重要程度排序,按照文中方法获得的多目标等效静力风荷载在抖振响应计算精度和荷载分布的合理性方面均表现良好。

基于虚拟激励法的大跨度桥梁位移多目标等效静力风荷载

等效静力风荷载是连接结构工程师与风工程师之间的纽带,在工程实践中起着非常重要的作用。以大跨度桥梁的抖振位移响应为等效目标,对其多目标等效静力风荷载进行了研究。首先,将准确高效的虚拟激励法引入等效静力风荷载的计算;然后,利用荷载-响应之间的关系,将大跨度桥梁抖振位移多目标等效静力风荷载表达为虚拟激励的形式,实现了基于虚拟激励法的大跨度桥梁抖振位移多目标等效静力风荷载计算,并赋予其明确的物理意义;最后,以东海大桥主航道桥为例,验证了该方法的正确性。

大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载精细化分析

基于已建立的大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载理论框架,对其中存在的关键问题进行精细化分析。首先,根据结构风振响应特性,分别推导构造多目标等效静力风荷载的背景分量、共振分量及其二者耦合项分量,解决基本分量应与风振响应分析结果相对应且能再现风振响应特性的问题。其次,根据各基本分量作用下结构静力响应分布的相似程度对基本分量进行归并精简,从而保证所选基本分量的高效性,实现用较少的基本分量完成尽可能多的目标响应等效。最后,针对基于数值方法求解多目标等效方程造成的计算结果离散性大、不便于工程应用、精度不高等问题,补充求解的边界条件方程,并提出对计算结果的修正方法。利用提出的精细化分析方法,对国家网球中心"莲花"球场屋盖结构多目标等效静力风荷载进行分析。研究结果表明:所得多目标等效静力风荷载分布合理,静力响应与多目标响应较吻合,验证了所提出的方法的有效性和工程实用性。

考虑风振响应特性的多目标等效静力风荷载实用分析方法

针对大跨屋盖结构风效应分析理论框架中不同环节相应分析方法众多且未能较好协调统一的问题,以最后环节的等效静力风荷载求解为目标,提出一种考虑风振响应特性的多目标等效静力风荷载实用分析方法。基于脉动风振背景响应、共振响应及其耦合项组合结果,利用LRC法基本原理推导构造多目标等效方程的基本向量,实现与脉动风振响应完全协调对应,且能够再现风振响应特性,采用最小二乘法求解等效方程,得到多目标等效静力风荷载;引入应变能概念,考虑结构所有节点响应,根据三分量各响应应变能对总响应能变能的贡献,定义响应分量贡献系数,据此系数进行大跨屋盖结构脉动风振响应特性类型判定,在此基础上,根据风振响应特性类型判定结果,精准构造多目标等效方程并进行最小二乘数值求解,实现多目标等效静力风荷载的高效实用计算。以北京奥林匹克公园网球中心赛场屋盖结构为例,进行风振响应特性类型判定,根据判定结果,计算其多目标等效静力风荷载以及该等效静力风荷载作用下的结构静力响应,并与频域分析所得目标响应进行对比,结果表明:所提方法能够精准高效计算结构多目标等效静力风荷载,具有工程应用价值。

能量等效大跨屋盖结构三分量多目标等效静力风荷载

针对大跨屋盖结构风效应静力等效分析中需要考虑多响应目标问题,与脉动风振响应背景分量、共振分量及其二者耦合项分量(简称三分量)相对应,提出一种大跨屋盖结构三分量多目标等效静力风荷载分层分析法。首先,基于能量等效,考虑结构所有节点响应,分别推导了三分量多目标等效静力风荷载表达式;其次,根据三分量响应能量对脉动风振总响应能量的贡献程度,定义三分量能量贡献系数,据此系数实现大跨屋盖结构三分量响应层次划分,并针对不同层次结构,制定了相应的总等效静力风荷载组合求解方法;最后,以北京奥林匹克公园网球中心赛场屋盖结构为例,对其三分量响应层次划分,根据划分结果,组合得到结构总等效静力风荷载。同时对总等效静力风荷载作用下的结构静力响应与频域分析所得目标响应进行对比,发现二者吻合较好,能够满足实际工程要求,说明所提方法有效且具有工程应用价值。

超高桥塔的气弹模型风洞试验及其等效静力风荷载

为研究超高桥塔的气弹模型风洞试验方法及其等效静力风荷载,根据某实际工程中的超高桥塔建立了有限元模型,进行了动力特性计算,进而设计了相应的气弹模型,并开展了风洞试验。在此基础上,开展了超高桥塔风致振动的非线性时程计算,并基于阵风荷载因子法,对比了以位移、内力和应力为单一目标的超高桥塔的等效静力风荷载。结果表明:斜风作用下的桥塔风致振动比较显著,其影响随着风速的增大而愈加明显;当风向角为75°~90°时,超高桥塔将在风速为35~50 m·s^(-1)的区间发生顺桥向的侧弯涡振,但幅值较小;基于应力的阵风荷载因子比基于位移或内力的阵风荷载因子更加稳定,这使得基于应力的等效静力风荷载要优于基于位移或内力的等效静力风荷载,比较适合于超高桥塔。

考虑二维等效静力风荷载的导线风偏刚性直棒法

刚性直棒法作为一种简单高效的输电导线风偏响应估算方法,在输电工程领域得到了广泛的应用,然而其适用对象仅限于水平风作用下的未覆冰导线,对于线路常遇的覆冰以及二维风荷载情况未能涉及。该文采用阵风荷载包络线法(GLE法)推导了二维等效静力风荷载的表达式,获得了考虑二维风荷载作用的导线风荷载调整系数,通过引入二维等效静力风荷载改进了现有刚性直棒法,改进后的刚性直棒法综合考虑了线路是否覆冰、二维风荷载、上升气流以及风的脉动效应。建立了某真型输电线路的精细化有限元仿真模型,采用覆冰导线气动力风洞试验结果和非线性数值仿真验证了改进后刚性直棒法的准确性。基于改进后的方法分析了竖向平均风速和导线覆冰厚度对风偏响应的影响。研究表明:考虑二维等效静力风荷载的导线风偏刚性直棒法是一种准确度明显提高的通用方法,能适用于常规的、覆冰的、有上升气流的多种工况下的导线风偏位移计算。

基于层内力等效的偏心高层建筑三维等效静力风荷载

对于质心和刚心不重合的偏心高层建筑,由于结构三维振型耦合与气动力耦合等因素的影响,其等效静力风荷载的评估变得十分复杂.基于振型加速度法,推导了考虑三维气动力耦合和振型交叉项贡献的偏心高层建筑各层拟静力项和惯性力项内力(剪力和弯矩)响应计算方法 .在此基础上,基于各层内力响应等效,建立了能合理反映荷载沿高分布信息的结构三维等效静力风荷载评估方法.随后,结合3种典型矩形截面高层建筑刚性模型测压风洞试验,分析了荷载相关性、结构偏心率和截面长宽比对偏心结构三维等效静力风荷载的影响.研究表明:对于偏心截面高层建筑,振型交叉项和荷载相关性对结构风致响应与等效静力风荷载的贡献不可忽视,若忽略两者则会低估偏心高层建筑三维等效静力风荷载,特别是扭转向等效静力风荷载.此外,偏心率和截面长宽比同样影响偏心高层建筑等效静力风荷载的大小和分布情况.相关研究可为偏心高层建筑的抗风设计提供一定的指导.

大跨度桥梁位移响应多目标等效静力风荷载计算方法

为把风荷载作用下的复杂结构动力计算转化为静力计算,根据大跨度桥梁结构的自身特点,以结构非约束节点的位移响应为等效目标,基于随机振动理论和结构动力学基本原理,采用耦合抖振分析方法,分别将竖向、水平和扭转方向的位移等效静力风荷载表达为结构振型矩阵、位移响应影响线矩阵、气动频响传递函数矩阵、抖振力功率谱密度矩阵和峰值因子的乘积。结果表明:根据荷载-响应之间的关系,采用该方法计算得到的等效静力风荷载为基于结构位移响应的大跨度桥梁多目标等效静力风荷载,且具有明确的物理意义;以主跨300m的理想薄平板断面简支梁桥为例,验证了该方法的正确性和有效性。

大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载

为解决大跨屋盖结构等效静力风荷载计算中存在的多个响应目标等效问题,对多目标等效静力风荷载分析方法进行了研究。根据结构风振响应特性,基于LRC法基本原理推导了构造大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载的基本分量,包括背景分量、共振分量及其二者的耦合项分量,该基本分量能够实现与风振响应各分量的完全对应。在此基础上,建立了多目标等效静力风荷载的求解方程,同时为限制奇异荷载的出现,引入了边界条件方程,据此求解得到了能够满足大跨屋盖结构多个响应目标的等效静力风荷载。为提高精度,还根据目标响应与静力响应间误差对求得的多目标等效静力风荷载进行修正。最后,采用所提方法对国家体育场大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载分析计算表明,所得等效静力风荷载作用下结构静力响应与多目标响应吻合较好,验证了所提方法的有效性。

以动力稳定为目标的空间结构等效静力风荷载

采用基于位移或内力响应等效的等效静力风荷载进行大跨空间结构的稳定分析并不十分合理.以动力稳定为目标的等效静力风荷载将使大跨空间结构的设计能够满足稳定性设计的要求.提出大跨空间结构以动力稳定为目标的等效静力风荷载的概念和初步方法,并应用于单层柱面网壳的稳定性分析.通过风洞试验获得柱面网壳表面的非定常气动力,利用Budiansky-Roth准则分析该网壳的动力稳定性,得到以动力稳定为目标的等效静力风荷载.通过对比以动力稳定为目标和基于位移等效的等效静力风荷载下的稳定性分析结果,表明大跨空间结构进行稳定性分析时有必要采用以动力稳定为目标的等效静力风荷载来考虑风荷载作用.

大跨屋盖时域多目标等效静力风荷载计算方法

根据大跨屋盖结构多振型参与结构风振,等效静力风荷载存在多目标的特点,提出时域多目标等效静力风荷载的分析方法。该方法的基本思路是:利用时域分析得到的位移响应时程,计算结构的广义恢复力时程,对广义恢复力进行POD分解,得到广义恢复力的本征模态,以此构造多目标等效静力风荷载的基本向量;引入约束方程组和权值因子,用加权约束最小二乘法得到基本向量的最优组合系数,从而得到多目标等效静力风荷载。该方法能够再现风振响应特点,在保证关键目标等效精度的同时,得到较合理的多目标等效静力风荷载分布。最后,将该方法应用于某大跨屋盖,验证了该文方法的有效性和精度。

大型空间桁架结构多目标等效静力风荷载

空间桁架体系不仅具有典型大跨屋盖结构风致响应多模态参与性及特征响应多样性等特点,其在脉动风荷载激励下结构不同部位的风致响应还存在有大量的正负号交替现象。针对以上特性,在分析了单目标等效风荷载不足和局限性的基础上,提出了一种新的多目标等效风荷载计算方法。在该方法中,不仅采用本征正交分解(POD)法基本原理有效解决了多目标脉动响应极值间的正负号组合问题,寻找出一种在一定程度上最为可能的目标响应分布形式;同时以保证结构关键位置的风致响应为目标,提出了多目标等效风荷载的精确求解方式。最后以杭州新火车东站站台屋盖结构为工程实例,证明了采用该方法得到的多目标等效风荷载不仅能够精确保证关键部位响应与实际结果高度一致,其他非关键部位结果也有一定的精确性。

大跨屋盖结构共振响应多目标等效静力风荷载

针对大跨屋盖结构等效静力风荷载计算需要兼顾多个响应控制目标问题,基于能量等效,提出了大跨屋盖结构风致共振响应多目标等效静力风荷载分析方法。根据结构风致共振响应特点,从保证结构整体安全的角度,确定以结构风振过程中各节点吸收和转化的风动能达到极值时刻为等效目标,据此最不利情况,推导了共振响应多目标等效静力风荷载表达式。最后,将该方法应用于北京奥运网球中心屋盖结构共振响应等效静力风荷载计算,结果表明:该等效静力风荷载下的结构静力响应与频域分析得到的结构动力响应极值吻合较好,验证了所提方法的有效性和工程实用性。

±800kV与500kV混压大跨越钢管混凝土塔等效风荷载分析

大跨越钢管混凝土塔相比于普通钢管塔存在质量、刚度突变的特点。为探究钢管混凝土塔和钢管塔在风荷载作用下的响应规律及设计风荷载的取值,该文以实际工程为例,通过有限元模拟分析了两种塔型的动力特性和风振响应,并将等效静力风荷载与规范结果进行比较。结果表明:钢管混凝土塔的刚度明显高于钢管塔,且前几阶频率相对密集,振型间相互耦合明显;按规范等效风荷载的结构响应大于时程分析响应极值;按规范计算的钢管混凝土塔风振系数在灌入混凝土顶部附近存在突变;钢管混凝土塔顶部位移、加速度响应明显小于钢管塔,且钢管混凝土塔的脉动响应下降更为明显。

变截面脱硫塔风振效应及等效风荷载研究

变截面是工程设计中常见的结构类型,此类结构风效应在现行规范中受到的关注较少,规定仍较为粗糙。以某高耸脱硫塔为研究对象,综合时、频域数值仿真,详细研究圆柱形分段变截面高耸结构顺、横风向的风致动力响应特性,探讨了横风向涡激共振的判定及计算方法,对比分析变截面圆柱结构常见等效静力风荷载计算方法的差异及结果的可靠性。研究表明,结构第1阶模态是圆柱形变截面脱硫塔风效应的控制振型;应重点关注此类结构上部涡激振动对横风向响应的贡献;鉴于脱硫塔风致振动以共振响应为主,采用惯性力法或三分量(平均、背景和共振)法计算等效风荷载更符合实际分布规律。时、频域分析结果与我国现行规范《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)计算结果吻合较好,可为分段式变截面高耸结构精细化风振效应研究提供工程参考和依据。

自立式钢制放散管风荷载作用下应力分析

放散管是一种专门用来排放管道内部空气或燃气的装置,为了保证放散管在风荷载、地震荷载等条件下的稳定性,设计时,要对放散管在几种不同工况下的受力进行计算,其中风荷载对放散管的稳定性影响很大。GB50135规范中采用等效静力风荷载作用来对高耸结构进行计算,但是由于风荷载具有很强的随机性,采用等效静力风荷载进行风载荷计算是否符合实际工况需要进一步讨论。本文分别根据GB50135规范采用等效静力风荷载和利用ANSYS分析软件采用脉动风荷载对自立式钢制放散管进行风荷载计算,对计算结果进行分析,确定更符合实际工况的加载形式,以便对放散管风荷载计算起到积极的作用。

大型冷却塔结构的等效静力风荷载

采用刚性模型风洞同步多点测压试验获取非定常激励向量,并结合POD(经验模式分解)技术进行预测与重构处理,然后基于结构动力方程推导出仅广义共振模态位移和弹性恢复力协方差矩阵,再通过准静力分析方法计算出结构的共振和背景分量,最后通过线性三分量组合方法得到结构总的等效静风荷载.本文方法完全考虑了各共振模态间的耦合效应,且物理意义明确,从理论上适用于任意复杂结构的ESWL(等效静风荷载)计算.以国内已建成的亚洲最高、最大的冷却塔——宁海电厂超大型冷却塔为例,进行了该塔的风致响应和ESWL的计算,得出了一些对工程设计有益的结论,并验证了本文方法的有效性.

双曲冷却塔等效静力风荷载规范适应性研究

针对我国规范关于大型双曲冷却塔等效静力风荷载条文仅适用于高度小于165 m冷却塔、在缺少系统研究情况下只能借鉴国外规范问题,以单塔为例对德国规范等效静力风荷载计算公式进行适当变换,获得与我国规范完全一致的表达形式,且式中只有风振系数与平均风压分布系数取值有差异,对两国规范中两参数的取值进行比较;采用有限元计算方法,对3座不同高度冷却塔在中、德规范等效静风荷载作用下内力及变形分布进行计算分析。结果表明,我国规范关于等效静力风荷载条文规定也适应200 m高的冷却塔。