轻钢房屋整体风致易损性分析

轻钢房屋被广泛用于民宅和厂房等低矮建筑中。该类结构轻质,对风荷载较为敏感,在台风中破坏严重,造成了巨大的经济损失,因此对该结构进行风灾评估具有重要意义。首先,基于随机模拟技术提出了轻钢房屋整体结构风致易损性的分析框架,其中涉及风荷载随机化方法、主体结构和围护结构风致易脆性分析方法以及房屋整体结构风致易损性分析流程。其次,基于所提框架对一具体轻钢结构风致易损性进行了案例分析,结果表明,所提方法较好考虑了飞掷物和风压联合作用及其造成的内压变化效应,并可将主体结构和围护结构的风灾损失进行融合,获得结构整体易损性曲线。

胶囊形气膜结构风致气弹响应及风振系数研究

针对1/3矢跨比胶囊形气膜结构进行了气弹模型风洞试验,研究了结构的风致气弹响应变化规律,并给出了可供设计参考的风振系数。研究发现:结构平均变形呈迎风面凹陷,顶部隆起,横风向向外凸出的趋势,且这种变形趋势随着内压减小和风速增大越来越明显。0°风向角时的平均变形和振幅大于45°风向角时的平均变形和振幅大于90°风向角时的平均变形和振幅,结构合位移均值的极值出现在迎风面与顶面中心点;0°和45°风向角下,顶点竖向振幅>顺风向振幅>横风向振幅,结构以1阶模态振动为主;90°风向角下,顶点横风向振幅大于其他两个方向,结构以1阶和2阶模态叠加振动为主。各工况下结构的内压均有不同程度的减小。最后给出了考虑流固耦合效应的响应风振系数。

建筑夹层玻璃风致飞射物冲击破坏易损性研究

为分析建筑夹层玻璃遭受风致飞射物冲击时的破坏特征和机理,定量评价其易损性,采用有限元方法开展冲击破坏数值模拟研究。基于LS-DYNA软件建立飞射物冲击夹层玻璃的有限元模型,通过有限元数值模拟与试验对比验证有限元数值模拟方法的可靠性;分析球状飞射物冲击夹层玻璃时的裂纹开展和应力传播特征;改变球状飞射物的冲击位置、半径大小、材质和夹层玻璃面板长宽比,研究飞射物对夹层玻璃冲击效应的影响;采用双参数Weibull分布建立夹层玻璃冲击失效概率计算,量化其易损性。结果表明:与夹层玻璃中部和边部相比,角部抗冲击性能差;相同冲击速度下,夹层玻璃冲击失效概率随着飞射物半径的增加而增大;与石球和木球相比,钢球对夹层玻璃破坏临界速度低;当面板面积恒定时,随着长宽比的增加,其冲击失效概率先减小后增大。

400 km/h高速铁路典型路基段风致行车安全研究

以某设计速度400 km/h的高速铁路4种典型路基段结构为研究对象,采用风车路耦合动力分析方法,运用ANSYS和多体动力学软件SIMPACK分别建立路基和列车模型,分析CRH380动车组在环境风速20~40m/s区间工况,以速度400 km/h通过时车辆的动力响应。根据评价准则提出风致行车安全控制指标。结果表明:车体横向加速度反映列车横风稳定性,可以作为风致行车安全的控制指标;脱轨系数随着风速增大而增大,在风速不超过40 m/s条件下,均未达到上限值0.8;4#路基段可以承受的环境风速最大,风致行车安全的效果最好;背风侧的车辆响应指标均明显好于迎风侧,对于横风影响下的动力仿真分析,应将迎风侧作为主要研究对象。

基于TMD的大跨度斜拉桥风致随机振动控制研究

本文开展基于TMD的大跨度桥梁风致随机振动控制研究.建立了随机风荷载作用下桥梁—TMD系统随机振动响应分析的虚拟激励分析程序.提出了随机振动响应控制的TMD参数优化方法.以西固黄河大桥为背景,开展了实际桥梁的风致振动控制分析.结果表明:基于本文方法TMD参数优化后振动控制效率可提高近9倍,横向随机位移响应的控制效率可达到28.83%,横向随机加速度响应的控制效率可达到28.8%.

邮轮开敞区域典型杆件风致噪声特性数值研究

[目的]旨在研究邮轮开敞区域典型杆件产生的风致噪声。[方法]基于计算流体动力学(CFD)联合声类比法、声振耦合法开展气动噪声与风致振动噪声的数值模拟,探究上述两种噪声产生机理及特性。[结果]结果显示,在不同风速下,圆杆、方杆、椭圆杆的气动噪声最大值频率由脱涡频率主导,风致振动噪声最大值频率由结构固有频率主导。3种不同截面形状杆件产生的气动噪声总体上大于风致振动噪声,且方杆的气动噪声最大。当杆件脉动压力频率接近固有频率时,在大柔度下风致振动噪声会接近甚至超过气动噪声。[结论]设计邮轮开敞区域典型杆件时应选择圆形杆件而避免使用方形杆件,且合理选择杆件尺寸,尽量避免杆件脱涡频率与固有频率接近,以此降低风致噪声。

500m口径射电望远镜(FAST)索网结构风致破坏概率评估

大跨空间索网结构风敏感性突出,极易遭受风荷载影响。针对目前缺乏此类结构抗风性能评估方法的问题,以大跨空间索网结构FAST为例,提出一种基于实测风场数据的风致破坏概率分析方法。采集1971年~2020年结构所处地区的大量实测风速数据,通过概率分布拟合建立场地的风灾危险性模型。建立FAST的精细化有限元分析模型并模拟风荷载时程输入,采用非线性动力时程分析对结构的风振反应进行计算,基于概率性需求模型绘制易损性曲线。最后,结合得出的风灾危险性和结构易损性,计算得出FAST结构在所处场地实际风灾环境中的破坏概率。研究表明:该地极限风速为17m/s,风速在0~10m/s的概率最大;在120°、210°和300°风向角下,下拉索均为易损构件,210°风向角上吸风对索网结构最不利;在最不利风向角下,结构达到轻微破坏、中等破坏和严重破坏的总破坏概率分别为1.8359×10^(-4)、1.1499×10^(-5)和1.3202×10^(-6)。

微地形风场下架空输电导线风致振动特性分析

为研究微地形下架空输电导线风振特性以完善输电线路抗风设计,采用计算流体动力学方法(CFD)模拟得出微地形下不同线路处风速及攻角变化规律,并推导输电导线相对运动时的脉动风荷载。建立跨越微地形的三跨输电导线有限元模型,利用谐波合成法(WAWS)模拟时间和空间相关的线路脉动风场,对导线施加风荷载,分析微地形下输电导线风振响应。研究结果表明:在微地形下,来流经谷口与山顶时加速明显,水平风速最大加速比达到1.42,坡前垂向风速不可忽略;相较平地风场,跨越山谷、山顶线路第二跨导线的跨中水平位移幅值分别增大58.27%和56.39%,导线水平张力和绝缘子风偏角度大幅增加,导线覆冰舞动可能导致空气间隙不足发生放电,在抗风设计时须增大设计风速;坡前线路风振位移减小,可适当减小安全裕度。研究结果可为复杂山地地形下输电导线抗风设计提供参考。

拱桥拱肋段缆索吊装状态时的风致响应研究

山区地形地貌复杂,受施工场地的限制,大跨桥梁施工多采取跨越能力强的缆索吊装法,但缆索系统轻柔的力学特性使其抗风问题突出。为掌握拱肋段缆索吊装过程中的风致响应特性,该文以某山区钢管混凝土拱桥为对象,首先通过有限元分析研究了缆索吊装体系在空载和吊重状态下的模态特性,讨论了拱肋段的动力学行为及影响因素;然后通过计算流体力学仿真模拟识别了不同拱肋段的气动力系数;最后通过瞬态分析计算了拱肋段缆索吊装状态时的风致响应。研究结果表明:当缆索吊装系统为吊重状态时,起吊索和吊重物在横桥向和绕竖轴扭转的风致振动现象明显;当吊装段由边跨向跨中行进时,其振动大小呈先增大后减小趋势;当吊装段下降时,除横桥向振动增大外,其余方向的振动均有所减小。

1000 kV特高压变电构架风荷载及风致响应

1000 kV特高压变电构架高度大、频率低,其风荷载及风致响应对结构设计起控制作用。通过高频天平测力风洞试验获得1000 kV特高压变电构架塔架节段(A~D节段)、横梁和整体模型的基底剪力和弯矩,分析地貌类型和风向角对体型系数的影响规律,并与国内外相关规范进行对比分析,利用有限元方法计算结构风致响应并详细考察不同地貌下结构位移响应及风振系数随风向角的变化规律。研究结果表明:0°风向时,模型节段A~D三类风场(均匀流、A类和B类)体型系数之比分别为1∶0.93∶0.42、1∶0.86∶0.36、1∶0.84∶0.41和1∶0.60∶0.23。90°风向时,整体模型在三类风场下的体型系数均取得最大值3.40、2.42和0.97,比DL/T 5154—2012和ASCE7—16规范值大24%~40%。此外,结构塔顶位置X和Y方向位移响应均方根值分别在90°和0°达到最大值69.66 mm和61.51 mm,塔顶典型节点X和Y方向风振系数分别在0°和90°风向取得最大值2.61和3.27。

悬索桥刚度、阻尼和风载参数对风致涡激振动的影响

悬索桥较低刚度使得其风致涡激振动较容易被激发,并产生复杂的异常运动。使用悬索桥竖向弯曲运动偏微分方程,定性的探究了悬索桥结构刚度、阻尼和风载参数对涡激振动影响。首先,使用伽辽金法把非线性偏微分方程在前两阶竖向正对称弯曲模态截断,得到两个二阶非线性常微分方程。之后,使用多尺度法对该常微分方程组进行摄动求解,得到悬索桥在前两阶竖向正对称弯曲模态主共振时的近似解析解。最后,通过近似解析解分析了虎门大桥风致涡激振动的特点。研究结果显示:悬索桥数学模型中的三次非线性项对结构的非线性振动行为有显著影响;当风的涡激频率小于悬索桥固有频率时,伴随风载的变化,振动幅值将产生跳跃现象;结构阻尼和刚度对悬索桥的涡激振动均有明显影响,伴随阻尼和刚度的增加振动的幅值显著减小。

井筒对特大跨越输电塔风致响应的影响

采用数值模拟方法研究井筒对特大跨越输电塔风致响应的影响,提出钢管混凝土杆采用钢管杆等代的等效建模方法,采用时域法和频域法研究有无井筒输电塔在顺线路和横线路方向的风致响应,最后将风振系数结果与规范规定值进行比较。研究表明:利用截面刚度等效原则进行钢管混凝土杆等效为钢管杆的方法是可行的;考虑井筒后输电塔的前两阶自振频率降低明显,输电塔的位移和加速度均增大;时域法和频域法的计算结果接近;有井筒输电塔的整体风振系数比无井筒输电塔大11%~15%;风振系数计算结果与《架空输电线路荷载规范》(DL/T 5551—2018)的规定值比较接近。

吊索材料对某大跨中承式铁路拱桥风致响应的影响研究

为研究钢吊索和碳纤维吊索对拱桥结构静动力性能的影响,以山区某大跨中承式铁路拱桥为研究对象,建立有限元分析模型开展非线性动力仿真分析,获取了主梁和吊索不同位置的振动响应,分析了吊索材料对拱桥构件风致响应的影响规律。结果表明:(1)基于等强替换的原则,将拱桥钢吊索更换为碳纤维吊索,主梁主导的振型频率增幅达3%~12%,吊索振动基频提升约27%;(2)与采用钢吊索相比,碳纤维吊索拱桥的主梁横桥向位移增大超50%,吊索自身的横桥向位移增大约60%,而主梁的竖向位移和吊索的顺桥向位移则大幅度减小;(3)不同材料吊索的风致应力幅差异不大,均接近3 MPa;(4)采用碳纤维吊索时,拱桥的风致响应频率相对集中,采用钢吊索时则较为发散,发生振动的可能性更高。

渐变附着式起重机风致响应及疲劳分析

起重机风载特性的研究有助于确定起重机的薄弱环节、制定附着杆的附着方案,从而提高其安全性。文章以SP7525型平头式起重机为原型,建立ABAQUS有限元模型,通过自回归Auto Regressive改进模型模拟了风速时程,采用雨流计数法并引入应力-寿命曲线处理应力时程,探索了渐变附着式起重机的风致动力响应及疲劳损伤规律。结果表明:塔吊附着杆的风致应力数值随塔吊高度的增加而增大,不等长附着状态下,FZG7-1、FZG7-2、FZG7-3的风致应力值分别降低了5.70%、5.17%、7.78%;平衡臂、起重臂以及接近塔顶处塔身的疲劳损伤度量级为10^(-9)~10^(-8);FZG n-1、FZG n-3相对FZG n-2的风致应力值分别增大了10.10%、23.15%,且疲劳损伤度增加了1~2个数量级;塔吊采用不等长附着形式具有更高的安全性。

考虑腐蚀效应的钢筋混凝土烟囱风致易损性分析

选取某钢筋混凝土高耸烟囱为研究对象,利用ABAQUS软件建立不同腐蚀程度的有限元模型并对其进行风致易损性分析。首先考虑材料性能的劣化,然后采用线性滤波法模拟出脉动风速并验证其有效性,对不同腐蚀程度的烟囱进行了数值模拟分析,通过Pushover分析得到基底剪力-位移曲线,从而获得不同极限状态的性能点,最后考虑风速和材料的不确定性进行风致易损性分析,绘制出不同腐蚀程度的烟囱风致易损性曲线并进行对比研究。研究结果表明:相较于其它结构形式的高耸结构,致该烟囱倒塌破坏的风速为57 m/s左右,有着较强的抗倒塌能力;烟囱在服役的过程中,腐蚀效应的加剧会导致烟囱达到同一破坏状态的极限风速逐渐减小,因此在钢筋混凝土烟囱的抗风设计中,需要考虑烟囱在服役过程中的腐蚀效应。

持续时间下路堑内风致积雪数值模拟研究

路堑是风吹雪灾害最为严重的路基形式之一,为给实际道路断面设计和风吹雪灾害的防治提供参考依据,文中针对交通线路中常见的路堑展开研究,基于Fluent中的Mixture模型对风雪两相流进行模拟,同时对模拟结果进行验证。研究路堑风吹雪灾害中的积雪分布规律,并对积雪分布演化过程中的流场进行比较分析。结果发现路堑下风坡位置形成局部突出积雪与路堑内产生漩涡再附点有直接关系。不同时刻路堑内雪相浓度受积雪量增加和风速流场变化的影响,其值整体上增加,且雪相浓度最大值在上风坡坡顶附近出现,研究可为路堑内积雪灾害预测以及风吹雪两相流数值模拟参数取值提供参考。

考虑SSI效应的高耸烟囱风振系数计算和风致响应分析

为研究风荷载作用下考虑土-结构相互作用(Soil-structure Interaction,SSI)对高耸烟囱结构的影响,文章利用ABAQUS分别建立考虑与不考虑SSI效应的烟囱有限元模型,对两种工况下的模型进行结构动力特性分析,根据规范计算两种工况下的烟囱风振系数。通过对结构进行动力时程分析,比较不同刚度的地基土对烟囱结构的具体影响。结果表明:考虑SSI效应后,烟囱自振周期增大。高度越高,考虑SSI效应得到的烟囱风振系数与刚性地基时的风振系数相比偏差越大,在结构设计时考虑SSI效应可以更准确地计算风振系数。地基土刚度越小,烟囱上部结构的位移和加速度响应越大,在软土地基上的结构设计应当考虑SSI效应对高耸烟囱结构的不利影响。

基于双向流固耦合的无拉索天线桅杆风致振动特性研究

为研究正六边形无拉索天线桅杆的风致振动特性,本文进行了基于双向流固耦合的数值模拟研究。建立了无拉索天线桅杆固体网格及外流场重叠网格三维有限元模型,利用ANSYS Workbench搭建基于Transient、Fluent和System Coupling的双向流固耦合仿真系统,对不同风速下桅杆的横向、顺风向振动位移及受力进行了分析,并运用Model模块计算了桅杆前六阶固有频率及其对应模态。结果表明:无拉索天线桅杆在风速U=13.5 m/s时会发生振动形式转变,振动形式从第一阶模态转变为第一阶与第二阶混合模态,横向振幅在此风速下出现极小值;桅杆受到的顺风向阻力数值模拟结果与经验公式基本相符,对比误差不超过8.5%;无拉索天线桅杆尾流主涡的交替摆动是其受到脉动横向风载的主要原因。

大型直筒-锥段型钢结构冷却塔地震反应与风致稳定性分析

直筒-锥段型钢结构冷却塔自重较轻、塔型相对规则,正逐步成为火电行业大型冷却塔建设的新方向,而该结构大跨度大空间特点导致的强震下响应与风致整体稳定性,是钢塔结构设计的挑战。使用有限元软件SAP2000建立钢冷却塔模型,进行恒荷载、风载和地震作用下的计算,分析塔筒的受力情况和内力分布规律;以一阶线性屈曲模态作为钢塔初始缺陷状态,以H/300(H为塔高)作为初始缺陷大小,基于双重非线性分析,探究此类钢结构冷却塔真实工况下的风致非线性屈曲规律。结果表明:在多向地震作用下,钢冷却塔的位移符合《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)要求,锥段和直筒段主要分别发生弯曲变形和剪切变形,整个塔体的变形性能满足我国抗震设防要求;考虑双重非线性下钢结构冷却塔临界屈曲承载力下降,直筒段设置的加强环有力保证了结构刚度。为类似大跨度钢塔抗震性能及稳定性能评估提供一定参考。

大跨度空间结构风致效应研究进展

大跨度空间结构具有建筑结构外形优美独特、受力性能良好以及可以提供较大的无内柱空间等特点,被广泛地应用在大型建筑中。在大跨度空间结构的使用过程中,越来越多的事故表明:风荷载已成为影响其结构设计的主要荷载。本文介绍了大跨度空间结构表面风压的研究方法,总结了大跨度空间结构风致效应计算方法,对比了目前不同的等效静力风荷载计算方法,并对大跨空间结构风致干扰效应问题进行了详尽的说明。结果发现,目前关于大跨度空间结构风荷载及风振响应的研究还不够全面,影响了大跨度空间结构的安全推广应用。