大跨度梯形钢屋架双坡屋盖风振系数研究

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1、第九届全国现代结构工程学术研讨会大跨度梯形钢屋架双坡屋盖风振系数研究杨应华冯真(西安建筑科技大学。西安7t0055)陈传铮(西北电力设计院，西安710075)提要：本文基于随机振动理论，在频域内采用风力谱分析法进行了大跨度梯形钢屋架双坡屋盖随机振动分析，用Davenport风速谱计算了屋盖的风振响应和风振系数。讨论了基本风压、屋盖跨度、屋盖重量、阻尼比、地貌类别和支座约柬等参数对风振系数的影响，利用参数分析的结果，归纳出大跨度梯形钢屋架双坡屋盖风振系数实用公式，可供实际工程设计参考。关键词：大跨度双坡屋

2、盖，谱分析法，风振响应，风振系数，实用公式一、引言近年来频频发生的风灾造成一些结构的破坏，表明风对结构的作用是非常重要的。我国建筑结构荷载规范(GB5009—2001)(2006年版)(以下简称规范)规定u。：对于高度大于30m且高宽比大于1．5的房屋和基本自振周期刀大于0．25s的各种高耸结构以及大跨度屋盖结构，均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响，风振计算应按随机振动理论进行，并指明大跨度屋盖是指跨度在36m以上的屋盖。但是，现行规范只给出了适用于高层高耸等悬臂型结构的风振系数计算公式，未能提

3、供大跨度屋盖的风振系数计算公式，给设计工作带来了一定的困难。因此，对工程中常用的大跨度梯形钢屋架双坡屋盖结构，迫切需要提出一种简单实用的风振系数计算公式以解决这一问题。本文主要应用有限元分析软件ANSYS在频域内对大跨度梯形钢屋架双坡屋盖结构进行随机风振响应谱分析，分别讨论这种屋盖在基本风压、屋盖跨度、屋盖重量、阻尼比、地貌类别和支座约束等不同参数变化时风振系数的变化，并在参数分析的基础上归纳出大跨度梯形钢屋架双坡屋盖风振系数实用公式，以供实际工程设计参考。二、大跨度屋盖结构风振响应的频域分析法基于随机

4、振动理论的大跨度屋盖结构风振计算可采用的方法有时域法和频域法，鉴于频域法物理意义明确，计算简单，本文采用频域法进行风振计算。随机振动的基本方程为：M鼍+C支+戤=P(f)(1)式中版f和Ⅳ分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，戈、j和工分别为节点的加速度、速度和位移向量，P(幻为节点脉动风荷载向量。利用振型分解法，将方程(1)解为刀个独立的方程：吼+2彭(2砌J)屯+(2肋』)2qj=Fj(t)(2)式中免、一，分别为第歹阶振型的阻尼比和频率，‘(‘)=好P(f)埘材嘭)为相应的广义荷载。忽略各振型

5、之间的耦合作用，结构第i自由度方向的位移响应谱可表示为乜3；工业建筑2009增刊第九届全国现代结构工程学术研讨会式中H，(n)为第阶振型的频率响应函数，屯(九)为为第／阶振型广义荷载的相关谱密度。我国规范采用的是紊流尺度沿高度不变的Davenport水平脉动风速谱咖：工：1200旦rio(3)(4)式中刀为频率，墨(一’为风速谱密度，Ⅳ为地面粗糙度系数，巧。为离地面lOm高度处的平均风速。要得到脉动风力随频率变化的谱密度，需将风速谱先换算为风压谱H1，然后再转换为风力谱，转换后的脉动风力随频率变化的谱密

6、度为；％∽)_16腼2南A(5)式中岛(刀)为节点的脉动风力，W一为平均风压，Ai为节点面积。节点第1自由度方向的位移响应均方根值为：吼5√rs“(n)咖(6)在实际工程设计中，脉动风对结构的动力响应是通过等效静力风荷载来考虑的。用风振系数户乘以静力风荷载计算等效静力风荷载的这一方法已广泛应用于工程设计之中。目前常用的风振系数有荷载风振系数和位移风振系数，我国规范定义荷载风振系数为节点的静动力风荷载的总和与静力风荷载的比值。陆锋佑1认为荷载风振系数在整个屋盖各节点数值差异较大，实际工程设计中应用起来不方

7、便，建议采用位移风振系数计算等效静力风荷载，本文也采用位移风振系数计算屋盖的等效静力风荷载。位移风振系数定义为节点的静动力位移的总和与静力位移的比值，位移风振系数的表达式为：口=1+坠=1+纽。％(7)式中移研和魄分别为节点的动力和静力位移，∥为峰值因子，我国规范峰值因子的取值在2。2左右，取2．2时的保证率为98．61％臼1，本文峰值因子取2．2。三、有限元分析模型及其动力特性(一)有限元分析模型大跨度梯形钢屋架双坡屋盖单层工业厂房在结构设计时通常将空间结构简化为平面结构进行设计计算，即不考虑结构的整

8、体空间作用。本文在建立有限元分析模型时亦不考虑结构的整体空间作用，而是采用平面体系进行设计计算，简化后的平面有限元模型为一两端支承的桁架。屋盖的重量简化后施加在相应的上弦节点上，质量单元选为Mass21，屋架的重量由程序自动计算。桁架的力学模型中节点连接为理想铰工业建筑2009增刊n／I＼bS2、，雅，L¨V日略。∑闩=&蒜等第九届全国现代结构工程学术研讨会接，有限元分析模型中桁架的杆件采用Linkl单元，这种单元的节点为理想铰接。屋架杆件