索膜结构在竖向脉动风影响下的风振响应研究

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孙芳锦，等：索膜结构在竖向脉动风影响下的风振响应研究

索膜结构在竖向脉动风影响下的风振响应研究＊

孙芳锦．张大明 殷志祥

（辽宁工程技术大学阜新１２３０００）

摘要研究索膜结构在竖向脉动风影响下的风振响应特性。脉动风既包含有水平脉动风速，又有竖向脉动风

速。对柔性较大的索膜结构，竖向脉动风作用将与水平风作用相叠加而使整个结构的风振响应增大。采用非线性

随机模拟时程法，研究不同参数时索膜结构在单独水平风作用下、单独竖向风作用下、水平风和竖向风共同作用下

的风振响应特性；并比较水平风和竖向风引起的膜结构的风振响应值，找出二者对膜结构所引起的响应异同及规

律。一般情况下，水平风和竖向风共同作用引起的位移均值是单独水平引起的位移均值的１．５７倍～２．９４倍。因

此，在研究索膜结构的风振响应时，必须考虑竖向脉动风的影响。

关键词 索膜结构 竖向脉动风 随机模拟时程法 风振响应

ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｏＮ ＷＩＮＤ—ＩＮＤＵＣＥＤ ＲＥＳＰｏＮＳＥ ｏＦ ＣＡＢＬＥ—ＭＥＭＢＲＡＮＥ

ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＣｏＮＳＩＤＥＲＩＮＧ ＶＥＲＴＩＣＡＬ ＰＵＬＳＡＮＴ ＷＩＮＤ

Ｓｕｎ Ｆａｎｇｊｉｎ Ｚｈａｎｇ Ｄａｍｉｎｇ Ｙｉｎ Ｚｈｉｘｉａｎｇ

（Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｆｕｘｉｎ １２３０００）

ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｉｔ ｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｗｉｎｄ ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｃａｂｌｅ－ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｐｕｌｓａｎｔ

ｗｉｎｄ．Ｐｕｌｓａｎｔ ｗｉｎｄ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｗｉｎｄ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｗｉｎｄ．Ａｓ ｆａｒ ａｓ ｃａｂｌｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉＳ ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ．

ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｗｉｎｄ ｗｉｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｈｅｎ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｗｉｎｄ．Ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｗｉｎｄ ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃａｂｌｅ－ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｗｉｎｄ，ｖｅｒｔｉｃａｌ ｗｉｎｄ，

ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｗｉｎｄ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｕｓｉｎｇ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｒａｎｄｏｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ．Ｉｎ

ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｉｎｄ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｖａｌｕｅｓ ｕｎｄｅｒ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｗｉｎｄ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｗｉｎｄ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ

ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｉｍｉｌａｒｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｒｕｌｅ ｏｆ ｗｉｎｄ ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｕｎｄｅｒ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｗｉｎｄ ａｎｄ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｗｉｎｄ ｉｓ ｆｏｕｎｄ．Ｉｎ ｇｅｎｅｒａｌ，ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｅａｎ ｗｈｅｎ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｗｉｎｄ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ

ｗｉｎｄ ａｃｔ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｉｓ １．５７ ｔＯ ２．９４ ｔｉｍｅｓ ａｓ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｗｈｅｎ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｗｉｎｄ ａｃｔｓ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｖｅｒｔｉｃａｌ ｗｉｎｄ

ｍｕｓｔ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｗｈｅｎ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｃａｂｌｅ－ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．

ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｃａｂｌｅ－ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｐｕｌｓａｎｔ ｗｉｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｒａｎｄｏｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ

ｗｉｎｄ—ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ

方向一致，因而竖向风将增大整个结构的风振响应。

１概述

因此，在考虑索膜结构的风振响应时既要考虑风力

索膜结构具有柔性强，重量轻，刚度较小等特 的水平分量，又需考虑风力的竖向分量。但目前大

点，这决定了索膜结构对风的高度敏感性，风荷载是

多数研究者都只对索膜结构在水平脉动风荷载作用

索膜结构的主要外荷载，也是引起结构破坏的主要

下的动力响应进行了研究，而对竖向脉动风荷载作

原因。国内外由于风荷载引起结构破坏的实例并不

用下的研究比较少，这也成为索膜结构抗风设计不

罕见 。

准确的原因之一。因此研究竖向脉动风影响下索膜

风通常可以认为由平均风和脉动风组成。脉动

结构的风振响应具有十分重要的意义。

风是三维的风紊流，既有水平脉动风速，又有竖向脉

本文研究竖向脉动风影响下张拉索膜结构的风

动风速。对于像高层建筑结构、高耸结构等，水平分

振响应。利用随机模拟时程方法研究索膜结构在单

量显然起着决定性的作用，竖向分量只影响竖向轴

独水平风作用下、单独竖向风作用下、水平风和竖向

力，对结构没有什么大的影响，一般可忽略＿２。］。但

风共同作用下的风振响应特性；并对由水平风和竖

是，对于索膜结构这样的柔性大跨空间结构来说，情

形就大不相同了。因为在水平风力作用下，这些结

＊辽宁省教育厅基金资助项目（２０２１８３３９１）。

第一作者：孙芳锦女１９８１年１月出生博士研究生

构的响应垂直于结构表面，接近竖向＿４］。而在竖向

Ｅｍａｉｌ｛ｅ—ｄｍ＠１６３．ｃｏｒｎ

风作用下结构的响应方向又与由水平风引起的响应

收稿日期；２００６—０８—２５

Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２００７（２），Ｖｏ１．２２，Ｎｏ．９２ ９