某大型博物馆结构风致响应分析_周晅毅.pdf

振 动 与 冲 击第 27卷第 2期J OURNAL OF V IBRAT I ON AND SHOCKVo.l 27 No.2 2008 某大型博物馆结构风致响应分析基金项目:国家自然科学基金创新研究群体科学基金(50621062)、国家自然科学基金(50608060)及同济大学青年优秀人才培养行动计划联合资助。收稿日期:2007-03-26 修改稿收到日期:2007-06-28第一作者 周晅毅 男,讲师,1975年生周晅毅1,顾 明1,李亚明2,周晓峰2,孙五一1,3,黄 鹏1(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092;2.上海建筑设计研究院有限公司,上海 200041;3.中国地质大学工程学院,武汉 430074)摘 要:基于刚性模型风洞试验,对一个具有索网幕墙的新型杂交结构)某大型博物馆结构进行风致响应计算。在计算平均风响应时考虑结构几何非线性的影响;分析脉动风响应时将结构近似作为线性结构处理,采用平稳激励下随机振动的模态叠加法(CQC法)进行计算。计算结果表明,当关键点出现极大值响应时,平均风响应对峰值响应的贡献较大,而且动力响应中共振响应一般大于背景响应。此外,对于关键点竖向位移及结构支座竖向反力,主要是壳体悬挑部分的风荷载起作用;而索网面位移主要由索网面上的风荷载控制,悬挑部分的风压对其影响很小。关键词:新型杂交结构;索网;风洞试验;风致响应;阵风响应因子;响应谱中图分类号:Y351.1 TU312+.1 文献标识码:A 大跨度屋盖结构通常质量轻、柔性大、阻尼小,此类结构往往是风敏感结构,风荷载是结构设计的控制荷载。大跨结构的抗风研究一直结构风工程领域的热点问题。Ue m atsu(1999)在紊流场中同步测量了圆屋顶上的 196个测点 1,并对穹顶屋盖进行了风振响应分析。结果表明,参与振动的模态主要是前 3 4阶对称模态以及前几阶非对称模态。M assi m iliano(2001)根据已有的互功率谱密度矩阵 2,利用线性回归滤波器人工模拟了风压谱,然后采用 Newm ark B法对一个悬索结构进行了几何非线性分析。顾明,周晅毅 3 6(2005)提出了大跨度屋盖结构非定常风荷载实验方法及抖振响应的计算分析方法。为了获得屋盖表面风压的时空特性,采用多通道测压系统对结构刚性模型上所有测点的风压进行了同步测量,以此为基础采用CQC法计算屋盖结构的风致响应。沈世钊等 7(2006)对鞍形索网、索桁架等悬索大跨结构的风致响应及等效静力风荷载进行了研究,对起控制作用的结构内力及位移响应风振系数进行了归纳。目前建造了大量具有较强非线性特征的新型索网结构,对于此类结构,在其风致振动机理、等效静力风荷载等方面仍有待开展进一步的探索。本文以一实际工程结构为背景,基于风洞试验的非定常风荷载对一个具有索网幕墙的新型杂交结构进行了风致响应研究,在一定程度上考虑了非线性效应,对结构的风致响应规律进行了较为细致的分析。1 工程概况 某大型博物馆(以下称/博物馆 0)的建筑及结构形式新颖(见图 1),由边缘箱梁和三铰拱构成的主结构形成了两个形似风帆的屋面壳体。两张风帆各有三个的端点,每个三角形风帆的底部支点间距约为 70m(即南北宽度,见图 2),风帆弧形屋面最宽处约 40多米(东西宽度),风帆顶部端点最高处距离地面约 58 m。两个风帆屋面壳体之间由两片单层索网幕墙相连接。图 1 某大型博物馆图 2 博物馆方位和风向角定义图 3 风洞试验刚性模型2 风洞试验方法 风洞测压试验是在同济大学土木工程防灾国家实验室的 TJ-2大气边界层风洞中进行的。测压试验模型为刚体模型(见图 3),用有机玻璃板和 ABS板制成,模型的几何缩尺比为 1/150。试验时通过旋转转盘模拟不同风向。在模型上总共布置了 676个测点。根据博物馆周围环境,按照文献 8的方法模拟为 A 类地貌风场。平均风速剖面指数为 A=0.12,模型顶部紊流度约为 12%。风从正北方向吹向博物馆时定义为 0b 风向角,根据结构的对称性,风向角的范围为 0b 170b,试验风向角间隔取为 10b。试验风向角和风向角定义见图 2。3 风致抖振响应计算方法 该博物馆是一个具有索网幕墙的新型杂交结构,其主结构体系(由边缘箱梁和三铰拱构成)为单层索网提供足够的边界条件;在强风下尽管索网变形增大,但无拉索松弛现象 9。文献 10也指出。在索单元绷紧的情况下,其荷载与位移之间呈弱非线性关系,非线性几何刚度部分可以忽略。因此本文采取如下计算方法:在计算平均风响应时考虑结构几何非线性的影响;分析脉动风响应时将结构近似作为线性结构处理,采用平稳激励下线性系统随机振动的模态叠加法(CQC法)进行计算。结构在抖振荷载作用下的运动方程为,M y#+C y#+K y=R p(t)(1)其中 M、C、K分别是质量、阻尼及刚度矩阵;y、y#、y#分别是结构的位移、速度和加速度向量;p(t)为风荷载向量。用于计算的风荷载来自风洞测压试验数据,根据相似定律已经将其转换为对应实际风场的风荷载。响应功率谱密度矩阵可由下式(CQC 法)计算,Syy(X)=5 H*5 T Spp(X)5 H 5 T,其中 H 是传递函数矩阵,5 为振型矩阵,Spp(X)为力谱矩阵。CQC 计算公式包括了所有振型交叉项,能考虑振型之间的相互影响。式中 5 TSpp(X)5 的计算结果为广义力谱矩阵,H*5 T Spp(X)5 H 为模态坐标谱矩阵,根据这两个矩阵就可得到广义力、模态坐标的均方根值。定义峰值响应与平均响应之比为/阵风响应因子0,以此来表征结构对脉动风荷载的放大作用,即,G(x,y,z)=Rp eak(x,y,z)R(x,y,z)(2)其中,R表示平均响应;Rpeak表示峰值响应,Rp eak=R?gRR。式中,g为峰值因子,取 2.5;RR为计算得到的响应均方根;式中的/?0是为了使 Rp eak取得最大值。4 风致响应计算及结果分析411 结构模态分析 图 4给出了博物馆结构的前三阶模态。结构的第一阶 至第 三 阶频 率分 别 为 0.854 H z、0.950Hz 及1.219 H z;其中第一阶为结构沿 X 向(东西向)的振动(坐标轴见图 2),第二阶为结构沿 Y向(南北向)的摆动,第三阶为结构沿 Z 向(竖直方向,竖直向上为 Z 轴的正方向)的上下振动;在 0.85Hz和 3.50Hz频率之间存在五十阶频率,模态分布非常密集。图 4 前三阶模态412 计算参数选取 计算结构风致抖振响应的参数:(1)地貌类型:A类;(2)计算风速(50年重现期,10 m 高度):34.8 m/s;(3)结构阻尼比:0.02;(4)频率积分范围 fI 0.000,3.720(H z);(5)积分步长$f=0.007 3 H z;(6)参振模态:第 1阶 第 50阶模态。4.3 风荷载作用下结构响应分析下面根据前文所叙的方法和计算参数,对博物馆结构的关键点(位置见图 1)在风向角 0b 170b时(18个工况)的风致响应进行分析。4.3.1风致响应随风向角变化的规律图 5为关键点的平均、均方根及峰值响应随风向26振 动 与 冲 击 2008年第 27卷角变化的曲线。从图可见,这三类响应(顶点竖向位移、索网面的 Y向位移及支座竖向反力)在 30b 50b 风向角和 150b 风向角时出现了极大值响应,在图 5中表现出两个较明显的波峰(波谷);图中也反映出顶点竖向位移及索网面的 Y向位移在 20b 40b 风向角时响应的方向发生了逆转;另外,顶点 A和 B竖向位移的变化规律相反,相对而言顶点 B 的响应绝对值更大一些。以上现象是由结构特有的弧形建筑外型决定的。图 6进一步给出了关键点响应的阵风响应因子随风向角变化的规律。顶点 B在 10b 风向角及点 G在 30b 风向角时的阵风响应因子很大,图 6中未显示这些结果。结合图 5可知这是因为其平均响应很小的缘故,并且此时其峰值响应不是所有风向角中最不利的情况。当三类响应出现极大值时,其阵风响应因子分别为:顶点B(150b 风向角)为 1.74;索网面点 G(50b风向角)为1.99;支座 F(150b风向角)为 1.97。出现极大值时对应的阵风响应因子并不大,并且都属于平均响应占优的情况。图 5 平均、均方根及峰值响应随风向角变化的曲线图 6 阵风响应因子随风向变化的曲线(a)(b)图 7 模态力均方根随风向变化的曲线图 8 模态坐标均方根随风向变化的曲线4.3.2 模态力、模态坐标及响应频谱特性频域计算方法的一个重要优点是能够比较方便地反映各阶模态对结构响应的贡献。下面将从模态力及模态坐标的均方根着手对响应的频谱特性进行分析。图 7给出了前十阶模态力均方根随风向的变化。尽管各阶模态力均方根随风向变化的规律差别较大,但图中仍然反映出在对应于出现极大值响应的 50b 及 150b风向时,相应的模态力均方根在多阶模态上同样表现为较大值。模态力均方根值处于前列的模态 分别是 第二、一、三及九 阶模态。图 8为前十阶模态坐标均方根随风向的变化。经过结构的传递函数后,模态力均方根值处于前列的模态分别是第一、二、三阶模态,这与模态力均方根的排列顺序略有不同。结合关键点的响应功率谱(见图 9)对共振区域(0.8 H z)的特性作进一步分析。图 9反映出 150b 风向时主要是第一、二阶模态对顶点 B竖向位移贡献能量,在图 4的模态图中可见这两阶模态中顶点有较大的竖向位移;50b 风向时主要是第六阶 九阶27第 2期 周晅毅等:某大型博物馆结构风致响应分析模态(1.53Hz 1.74H z)对索网面节点 G的 Y 向位移贡献能量,这些模态中索网面的 Y向振动较大;150b 风向角时主要是前三阶模态对支座 F竖向反力起作用。通过对功率谱函数的分析,获得了背景和共振位移响应的比例关系(见表 1)。表 1反映出,在关键点出现极大值的工况中共振响应大于背景响应,结构响应的动力部分在共振区域有较大的能量。表 1 背景和共振位移响应的比例关系响应名称工况RB:RR顶点 B竖向位移150b 风向角1:1.13索网面节点 G的 Y向位移50b 风向角1:1.44支座 F竖向反力150b 风向角1:1.274.3.3 屋盖上不同区域风荷载对风致响应的贡献分析考虑到风荷载对结构性能的影响很大,下面分析了屋盖表面不同区域风荷载对风致响应的贡献大小,以期分析减小关键响应的方法。采取了三种不同区域分别施加风荷载的方式计算风致响应,即:在壳体悬挑部分/壳体非悬挑部分/索网幕墙区域分别单独加风荷载,而此时其它区域没有施加风荷载(区域所在屋盖的位置见图 1)。图 10表现了不同区域风荷载对风致响应的贡献,图中的响应类别 A、B及 C分别代表平均、均方根及峰值响应,柱状图纵坐标的大小表示不同区域风荷载单独作用下的响应与所有区域都作用风荷载时(正常情况)响应的比值大小。从图中可见,对于顶点竖向位移及支座竖向反力这两类响应,主要是壳体悬挑部分的风荷载起作用(比值一般达到 0.9以上),所以减小悬挑部分的风荷载(如通过在悬挑部位开洞等方式)就能显著降低这两类响应;而索网面节点的 Y向位移主要由索网面上的风荷载控制,悬挑部分的风压对其影响很小(仅有悬挑部分风荷载时峰值响应与正常情况下峰值的比值仅为 0.11)。图 9 响应功率谱图 10 不同区域风荷载对风致响应的贡献5 结 论 本文基于风洞试验对一座博物馆结构进行了风致抖振响应计算,较为细致地分析了其响应特性,得到主要结论如下:1)本文基于风洞同步测压试验,进行结构风致响应计算;在计算平均风响应时考虑结构几何非线性的影响;分析脉动风响应时将结构近似作为线性结构处理,采用平稳激励下线性系统随机振动的模态叠加法(CQC法)进行计算。本文的计算方法为今后进一步深入研究非线性较强的索网结构风致振动问题奠定了基础;2)该结构关键点出现极大值时阵风响应因子大小为 1.74 1.99,此时阵风响应因子并不大,并且都属于平均风响应占优的情况;(下转第 33页)28振 动 与 冲 击 2008年第 27卷力强,并且可以不需要损伤前的测试数据,适合实际工程中应用。参 考 文 献 1 Pandey A K,Biswas M,Samman M M.Da mage detectionfro m changes in curvaturemode shapes J.JournalofSoundandV ibration,1991,145(2):321)332.2 周先雁,沈蒲生.用应变模态对混凝土结构进行损伤识别的研究 J.湖南大学学报,1997,24(5):69)74.3 董 聪,丁 辉,高 嵩.结构损伤识别和定位的基本原理和方法 J.中国铁道科学,1999,20(3):89)94.4 任 权,李洪升,郭杏林.基于应变模态变化率的压力管道无损检测 J.大连理 工大学学报,2001,41(6):648)652.5 顾培英,陈厚群,李同春,邓 昌.基于应变模态差分原理的直接定位损伤指标法 J.振动与冲击,2006,25(4):13)17.6 李德葆,陆秋海.实验模态分析及其应用 M.北京:科学出版社,2001:216)221.7 孙训方,方孝淑,关来泰.材料力学(下册)M.第三版.北京:高等教育出版社,1994:37)39.8 Gu Haichang,Song Gangbing,Q iao P izhong.Dela m inationdetection of composite plates using piezocera m ic patches andwavelet packet analysis A.Peter J.Shul,lAndre w L.Gyekenyes.iNondestructive Evaluation and Health M onito-ring ofAerospaceM aterials and Co mposites C.Belling-ha m,WA:SPIE,2004:220)230.9 陈增荣,高卫国.数值分析 M.北京:电子工业出版社,2002:48)50.10 丁幼亮,李爱群,繆长青.大跨桥梁结构损伤预警的基本原理与方法 J.防灾减灾工程学 报,2005,25(2):140)145.(上接第 28页)3)在关键点出现极大值的工况中共振响应大于背景响应;在共振区域顶点竖向位移及支座竖向反力主要依靠前三阶模态提供能量,而对于索网面 Y向位移第六阶 九阶模态贡献较大;4)对于顶点竖向位移及支座竖向反力这两类响应,主要是壳体悬挑部分的风荷载起作用,通过减小悬挑部分的风荷载能显著降低这两类响应;而索网面节点的南北向位移主要由索网面上的风荷载控制,悬挑部分的风压对其影响很小。参 考 文 献 1 UematsuY,W atanabe K,SasakiA,etc.W ind-induced dy-na m ic response and resultant load esti mation of a circular flatroof J.J.W indEng.Ind.Aerodyn.,1999,83,251)261.2 LazzariM,SaettaA V,V italianiR V.Non-linear dyna m ic a-nalysis of cable-suspended structures subjected to w ind ac-tions J.Computers and Structures,2001,79(9):953)969.3 周晅毅,顾 明.风洞实验中多通道测压管路系统的参数分析 J.同济大学学报,2005,33(8):1001)1006.4 周晅毅,顾 明.上海铁路南站屋盖结构风致抖振响应参数分析 J.同济大学学报,2006,34(5)574)579.5 周晅毅,顾 明,大跨度屋盖结构考虑模态耦合的抖振共振响应分析方法 J.振动工程学报,2006,19(2):179)183.6 顾 明,周晅毅,黄 鹏.大跨屋盖结构风致抖振响应研究 J.土木工程学报,2006,39(11):37)42.7 沈世钊,徐崇宝,赵 臣,武 岳,悬索结构设计 M.北京:中国建筑工业出版社,2006.8 黄 鹏,全 涌,顾 明.TJ-2风洞大气边界层被动模拟方法的研究 J.同济大学学报(自然科学版),1999,27(2)136)140.9 李亚明,周晓峰,吴景松等.中国航海博物馆中央帆体新型杂交结构设计,第四届海峡两岸及香港钢结构技术交流论文集 C.上海:同济大学,2006,493)500.10Shen S Z,Yang Q S.W ind induced response analysis andwind resistant design of hyperbolic paraboloid cable net struc-tures J.Int.J.Space Structures,1999,14(1):57)65.33第 2期 陈晓强等:基于伪比能的梁式结构损伤识别vantages,.i e.,workingmechanism reasonable,control algorithm si mple,hardware feasible and less energy consumption.Key words:velocity-adjustable TMD,MR damper,earthquake response control(pp:12-18)STUDY ON SOME PROBLEM S I N THE GENERALIZED DEMODULATI ONTI ME-FREQUENCY ANALYSISMETHODYANG Yu,CHENG Jun-sheng,YU De-jie(State key Laboratory ofAdvancedDesign andM anufacture for Vehicle Body,HunanUniversity,Changsha 410082,China)Abstract:The generalized de modulation ti me-frequency analysis approach is a new signal processingmethod.Hereafter the generalized demodulation ti me-frequency analysismethod is introduced,it is applied to the si mulated signal andcomparedw ith the other ti me-frequency analysismethods.The results demonstrate its effectiveness.Further more,its someproblems,such as,the application range and the selection of the phase function are discussed and the corresponding con-clusions are obtained.Key words:generalized de modulation,ti me-frequency distribution,application dom ain,phase function(pp:19-24)W I ND-INDUCED RESPONSESANALYSIS FOR ALARGE-SCALEMUSEUM STRUCTUREZHOUXuan-yi1,GUM ing1,LI Ya-ming2,ZHOU X iao-feng2,SUN Wu-yi1,3,HUANG P eng1(1.State Key Laboratory for Disaster Reduction in CivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.Shanghai Institute ofA rchitecture Design&Research(CO.,LTD.),Shanghai200041,China;3.School ofEngineering,ChinaUniversity ofGeosciences,W uhan 430074,China)Abstract:Based on rigidmodelw ind tunnel tes,t w ind-induced responses of a neotype hybrid-structurew ith cable-net curtain walls(a large-scalemuseu m structure)are computed.Effects of geom etric nonlinearity are considered in ca-lculating the mean responses,while the structure is regarded as a linear system and themode-superpositionm ethod(CQCmethod)is adopted in computation of the dyna m ic responses.The computed results of som e concerned responses show thatthem ean responses generallym ake more contributions to total responses than the dynam ic responses,and further more theresonant components are larger than the corresponding background components in the dynam ic responseswhen the max-imum responses occur.M eanwhile,through analysis of structural responses subjected tow ind loadingswhich are presumedto act on different parts of the roo,fit is found that some concerned vertical displace m ents and vertical reaction forces ofthe corner supports aremainly controlled by thew ind loadings on the surface of cantilevered roo,f but the displacements ofthe cable-net are mainly controlled by those acting on the surface of cable-net itsel.fKey words:neotype hybrid-structure,cable-ne,t w ind tunnel tes,t w ind-induced response,gust response factor,response spectrum(pp:25-28)DAMAGE IDENTIFICATION OF BEAM STRUCTURES BASEDON PSEUDO STRAIN ENERGY DENSITYCHEN X iao-qiang1,2,ZHUH ong-ping1,2,GE Dong-dong1,2(1.SchoolofCivilEngineering&M echanics,Huazhong University ofScience&Technology,Wuhan 430074,China;2.HubeiKey Laboratory ofControlStructure,Huazhong University ofScience&Technology,W uhan 430074,China)Abstract:A method based on dynam ic strain signals for identifying da m age of bea m structures in ti me dom ain ispresented.Dyna m ic strain signals are adopted since they are more sensitive than acceleration and displacement signals tostructure da m age.The strain signals are analyzed w ith wavelet packet transformation firstly.By calculating and analyzingthe/average pseudo strain energy density0(APSED)and/average pseudo strain energy density rate0(APSEDR)indicesproposed here,the characteristics of structure damages are expressed.Polynom ial curve fitting w ith a leas-t square calcula-173Vo.l 27 No.2 2008 JOURNAL OF VIBRATI ON AND SHOCK