索膜结构考虑风与结构耦合作用的抖振响应

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第２７卷第３期

、，ｏ１．２７ Ｎｏ．３

辽宁工程技术大学学报（自然科学版）

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）

２００８年６月

Ｊｕｎ． ２００８

文章编号：１００８．０５６２（２００８）０３－０３６８－０３

索膜结构考虑风与结构耦合作用的抖振响应

孙芳锦 ，殷志祥

（１．辽宁工程技术大学土木建筑工程学院，辽宁阜新１２３０００；２．辽宁工程技术大学试验实训中心，辽宁阜新１２３０００）

摘要：考虑风与膜结构的耦合作用，研究索膜结构在顺风向和垂直向风作用下的抖振响应规律及特性。采用时

程分析法，在结构的运动微分方程中利用风与结构之间的相对速度来考虑风与膜结构的耦合作用，采用逐步积分

法在每一时间步内求解方程，并用该方法得到索膜结构的抖振响应规律以及耦合作用对膜结构抖振的影响规律。

研究表明：索膜结构的耦合作用抑制了结构的抖振响应，风与结构耦合作用的大小与结构的振动速度有关。

关键词：索膜结构；耦合作用；抖振响应；时程分析法

中图分类号：ＴＵ ３１１．３ 文献标识码：Ａ

Ｂｕｆｆｅｔｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ

ＳＵＮ Ｆａｎｇｊｉｎ ，ＹＩＮ Ｚｈｉ￣ａｎｇ‘

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｘｉｎ １２３０００，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｘｉｎ １２３０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｗｉｎｄ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ．ｃａｂｌｅ—ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｕｆｆｅｔｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｕｎｄｅｒ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ

ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｗｉｎｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ．Ｉｎ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ，ｗｉｎｄ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｂｙ

ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｗｉｎｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｓｏｌｖｅｄ

ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｔｅｐ ｂｙ ｓｔｅｐ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｂｕｆｆｅｔｉｎｇ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｒｕｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｗｉｎｄ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｎ ｂｕｆｆｅｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｆｏｕｎｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｗｉｎｄ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｉｓ

ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ，ｔｈｅ ｂｕｆｆｅｔｉｎｇ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｅｓ ｔｏ ｔｈｅ

ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｂｌｅ—ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｒｅ：ｃｏｕｐｌｕｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ；ｂｕｆｆｅｔｉｎｇ ｒｅｓｐｏｎｓｅ．ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ

１ 概述

力响应问题要考虑风与结构的流固耦合作用。

本文采用时程分析法，利用风与结构之间的相

索膜结构具有自重轻、柔度大、自振频率低，

阻尼小等特性，风载荷是索膜结构的主要外载荷，

是引起结构破坏的主要原 ¨，索膜结构的抗风设

计一直是结构设计中不可或缺的环节。风可以分为

平均风和脉动风。平均风可认为其作用是静力的。

对速度来考虑风与膜结构的耦合作用，研究张拉索

膜结构在水平风和垂直风作用下的抖振响应规律，

以及考虑耦合作用与否索膜结构抖振响应的异同。

２ 索膜结构抖振响应的时域分析法

２．１ 概述

脉动风其作用属于动力特性。对于索膜结构主要是

要研究它的动力风效应。

抖振是由脉动风引起的结构的强迫振动，是脉

动风引起的动力风效应之一。它是由紊流产生的不

规则脉动气动力引起的结构不规则振动，是大振幅

强迫振动 Ｊ。这类振动有可能导致构件的疲劳或产

研究风作用下的大跨度柔性结构的动力响应，

主要有频域分析法 和时域分析法Ｈ１。时域分析法

可以考虑各种非线性因素，经常用于非线性体系的

研究中。

生较大的变形和应力以及出现结构的功能障碍问

题。因此抖振分析已成为结构抗风设计及舒适性分

析中的重要课题。

２．２张拉索膜结构抖振响应的时域分析

张拉索膜结构用有限元法离散后，在随机风载

索膜结构在风载荷作用下会产生较大的变形；

而结构的变形又改变了作用在其上的风载荷的方

向和大小，反过来又要影响结构的变形。这就是所

荷作用下某一时刻ｆ索膜结构结点处的运动方程为

［Ｍ】｛ ｝＋［Ｄ】｛ ｝＋［ Ｋ】｛ Ｕ｝＝｛ ｝一｛ Ｆ｝ （１）

谓的风与结构的耦合问题，研究索膜结构的风致动

式中，｛ Ｕ】，｛ 】，｛ 】分别是结点坐标在ｔ时刻

的位移、速度和加速度；｛ 】为ｉ点处的风力集中

娜 作者简余：孙芳锦（１９８ｌ－），女，辽宁沈阳人，博士研究生，主要从事大跨度结构的风振研究，Ｅ．ｍａｉｌ：ｅ ｄｍ＠１６３．ｃｏｍ。本文编校：赵

收稿日期：２００６－１２．１０

基金资助：辽宁省教育厅基金资助项目（２０２ｌ８３３９１）