张拉膜结构是具有良好发展前景的一种结构形式, 由于其轻质本身使得对地震力有良好的适应性, 但却对脉动风荷载作用十分敏感。对张拉索膜结构受风荷载产生的结构响应做出准确的估算并采取有效的预防措施, 一直是索、膜结构设计中的重要环节。目前, 实际抗风工程中所采用的风洞试验方法由于其试验条件有限、测试技术方法复杂、耗时耗资巨大, 尚不能在实际抗风中得到广泛百富策略白菜网。随着计算机数值模拟方法的不断进步, 人工模拟脉动风荷载的技术已趋向成熟, 并演化成以几种数值方法为基础的具有时间性、空间性相关的模式, 逐渐在抗风工程中被广泛百富策略白菜网。

根据线性滤波法中的自回归 (AR) 模型, 模拟一个工程膜面部分节点的风速时程曲线。结合结构随机振动理论并考虑耦合效应, 通过Matlab进行程序化编程模拟风速功率谱, 计算不同点位的受风面积, 随后转化成每个点位的风压值, 最终在ANSYS平台上对整体张拉膜结构进行风振时程分析, 形成了整体张拉膜结构风振响应分析的模拟思路和流程。

线性滤波中的自回归 (AR) 模型因计算速度快、量小、精度高而广泛百富策略白菜网于随机振动和时间系列分析中。自回归 (AR) 模型是将均值为零的白噪声随机系列通过指定的线性滤波器, 使其中输出为具有指定谱特征的平稳随机过程。采用AR模型, 考虑结果不同节点之间的空间相关性, 可以得到具有随机性、时间相关性、空间相关性的风速时程序列[1]~[3]:

式中:v0 (t) 为模拟生成的风速;△t为时间步长;N (t) 为均值为0;方差为1的正态分布随机数;p为自回归的阶数;ψk为自回归参数。

由式 (2) 求解:

而RV (j△t) 由下式确定:

这里SV (n) 即为大家熟知的风速谱, 采用Davenport提出的经验公式:

在实际情况中, 由于结构物上各点风速不可能同时达到最大或最小, 具有时间相关性。对大跨度体系而言, 应在随机风场模拟中引入三维空间相干函数:

式中:Cx、Cy、Cz分别表示空间上的左右、上下、前后的衰减系数;v为i、j两点风速的平均值。

图1是通过Matlab编程对风速v=25m/s的风场的模拟, 时间间隔△t=0.1s, 选取的时间从0.1s (对应频率f=10Hz) 开始到100s (对应f=0.01Hz) 结束, 共分为1000步进行风振时程分析。图2中实线 (波动线) 代表的是对风速v=25m/s的风场的模拟, 图中虚线 (平滑线) 代表的是Davenport谱, 从图中可以看出水平方向的坐标从0.01Hz~10Hz之间模拟的比较吻合, 而0.01Hz以前的部分模拟的效果相对差一些, 而在风振分析中选取的正好是比较吻合的0.01Hz~10Hz之间的一段, 可以说, 此时模拟分析的结果是可靠的。

图3考虑风速的不同对整体张拉膜结构膜面应力的影响。规律是应力、随机振动幅度随着风速增大而增大。边跨比跨中节点的振动幅度大, 说明该部位更容易受到风的影响, 大多数风毁膜结构多数出现在边缘部位也是基于这点原因, 即所谓的“边缘效应”。91节点靠近弹性支承柱位置, 它的风振时程曲线较别的节点有着明显的不同, 它到时程分析的后半段时两种风速模型彼此交叉在一起, 这说明弹性支承柱的设置影响了结构的风振时程响应分析。

图4是考虑矢跨比的不同对整体张拉膜结构膜面应力的影响。一致规律是:两种矢跨比的应力变化趋势和走势大致相同, 应力的大小相差不大, 矢跨比变大对应的应力变小。

(1) 根据线性滤波法中的自回归 (AR) 模型, 模拟工程膜面部分节点的风速时程曲线。结合结构随机振动理论并考虑耦合效应, 通过Matlab进行程序化编程模拟风速功率谱进而在ANSYS平台上对整体张拉膜结构进行风振时程分析, 形成了整体张拉膜结构风振响应分析的模拟思路和流程。

(2) 膜面应力、随机振动幅度随着风速的增大而增大。边跨节点比跨中节点振动幅度大, 说明该部位更容易受风的影响, 大多数风毁膜结构多数出现在边缘部位也是基于这点原因。91节点风振时程曲线有明显不同, 到时程分析后半段两种风速模型彼此交叉在一起, 说明弹性支承柱的设置影响了结构的风振时程响应分析。

(3) 根据不同矢跨比的风振影响分析可知:应力是随着矢跨比的变大而变小。因此在工程设计中, 要限制矢跨比不能太小从而导致膜面应力过大, 这样更加有利于形体的塑造和保持合理的受力性能。