現(xiàn)代結構風致響應分析和可靠度分析中的若干問題研究.pdf

1、風荷載是建筑結構的重要荷載，合理的進行結構抗風設計，是保證結構安全的重要因素。隨著科技水平的不斷提高，現(xiàn)代高層建筑和高聳結構朝著更高、更柔的方向發(fā)展，這使得建筑物的自振頻率越來越接近自然風的卓越頻率，建筑物在風荷載作用下的動力響應也越來越顯著。在非抗震區(qū)，風荷載甚至成為結構水平向的控制荷載，因此有必要對建筑結構的風致振動進行深入研究。 20世紀60年代，Davenport的一系列研究使結構的抗風設計方法產(chǎn)生了巨大的進步。他將風荷

2、載分為平均風和脈動風兩部分，把其中的脈動風看成一平穩(wěn)高斯隨機過程，并提出了脈動風的功率譜密度模型。通過隨機振動理論，可以得到結構在脈動風荷載作用下的響應。在此基礎上，Davenport提出采用等效靜風荷載代替實際的風荷載進行結構設計，等效靜風荷載作用下結構的響應和實際風荷載作用下結構的最大響應相等。他還并提出風振系數(shù)的概念，風振系數(shù)定義為等效靜風荷載和平均風荷載的比值。Davenport提出的這些基本理論和設計方法至今仍為各國規(guī)范采用，

3、我國規(guī)范也是如此。 然而我國現(xiàn)行規(guī)范中的等效風荷載計算方法對某些新興結構的考慮有所欠缺，點連接式玻璃幕墻(以下稱點支式玻璃幕墻)即是如此。我國規(guī)范將玻璃幕墻結構視為圍護和裝飾結構，其等效風荷載通過僅考慮風壓隨時間變化的陣風系數(shù)來計算。這在幕墻結構跨度較小，自振頻率較大時是合理的，而且能夠簡化計算。然而隨著超高、大跨幕墻在實際工程中的不斷應用，幕墻支撐結構隨之越來越柔，其風致振動也越來越顯著，采用陣風系數(shù)將導致不合理的結構設計。此

4、外，點支式玻璃幕墻一般有其獨立的支撐體系，所以本質上講，大部分點連接式玻璃幕墻已經(jīng)脫離了傳統(tǒng)圍護結構和裝飾結構的范疇，因此有必要采用針對點支式玻璃幕墻自身結構特點的風振系數(shù)進行結構設計。 筆者為此從隨機振動理論出發(fā)，對點支式幕墻支撐結構的風振系數(shù)進行了研究。本文首先提出了點支式幕墻的風振分析模型。以其中的兩端簡支模型為基礎，得到點式幕墻支撐結構在隨機風荷載作用下響應的具體表達式，并由此建立了點式幕墻支撐結構風振系數(shù)簡化算式。通過

5、數(shù)值仿真計算驗證了該算法的有效性。在此基礎上，本文對兩端固支和幕墻底部高度不為O的情況進行了分析，提出使用支承方式修正系數(shù)和底部高度修正系數(shù)來完善上述幕墻風振系數(shù)計算公式。最后得到的計算公式與現(xiàn)行荷載規(guī)范中風振系數(shù)的表達式在外形上基本一致，可方便的應用于實際設計，也可作為修訂規(guī)范或規(guī)程時的參考。 采用等效風荷載進行結構抗風設計確實十分方便，但是自然界中實際的風荷載是隨時間隨機變化的，而等效風荷載是確定的、不隨時間變化的。因此，上

6、述等效必然是在一定概率意義上的等效。因此我們有必要對這種等效的可靠度水平進行研究，以便對我國結構抗風設計的安全度有一個整體上的評估，這即為等效風荷載的可靠性分析。 由于需要考慮風荷載的動力特性，因此等效風荷載的可靠度分析的理論基礎為動力可靠度理論。動力可靠度是指結構在隨機動荷載的作用下，在給定的一段時間內不發(fā)生破壞和失效的概率。本文首先介紹了目前常見的基于首次超越破壞機制的動力可靠度分析方法：Gauss分布法、Rayleigh分

7、布法、Poisson過程法、蒙特卡羅法。研究發(fā)現(xiàn)這幾種方法均存在一定的缺陷。Gauss分布法、Rayleigh分布法和Poisson過程法均不能考慮隨機過程頻譜帶寬參數(shù)對動力可靠度分析結果的影響，而蒙特卡羅法計算精度取決于模擬的次數(shù)，計算量相當大。 為此本文從現(xiàn)有的動力可靠度的極值理論出發(fā)，以平穩(wěn)高斯隨機過程極值的精確分布為基礎，推導出一種新的動力可靠度計算公式。該算式考慮了頻譜帶寬參數(shù)對動力可靠度的影響，具有極高的精度和適用范

8、圍。數(shù)值算例的結果驗證了該算式的優(yōu)越性。 以本文提出的動力可靠度算式為基礎，可以對我國現(xiàn)行規(guī)范中等效風荷載的可靠度進行分析。為了研究的可行性，本文忽略了風荷載分項系數(shù)、體型系數(shù)和風壓高度系數(shù)這三個參數(shù)的隨機性，而著重考慮脈動風的隨機過程性和平均風的隨機變量性對等效風荷載可靠度的影響。在此條件下，本文對等效靜風荷載取值的可靠性進行了分析，得到等效風荷載可靠度的計算公式，并通過大量的計算得到其隨結構第一自振頻率、結構高度、場地條件、