桅杆结构考虑几何非线性效应的风致响应对比分析研究

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1、桅杆结构考虑几何非线性效应的风致响应对比分析研究第一章绪论1.1引言上世纪初，随着工业技术及通讯事业、无线电广播、电视等迅速发展，格构式塔桅结构广泛出现在我们的生活当中，如烟囱、水塔、导航塔、瞭望塔、指示灯塔及微波通讯塔等。目前输电线路电压等级越来越高，档距越来越大，铁塔高度也随之增大。有如我国500kV江阴长江大跨越输电塔设计高达346.5m，过江段跨距为2300m，两端耐张塔高64.5m，档距500m，是目前世界上最高的输电塔[1]。此类结构多为钢结构构件组合而且多为角钢拼接而成。格构式塔桅结构是一类结构高耸、细长且主要影响荷

2、载为风荷载的构筑物。格构式塔桅结构按其是否有无导线相连接大致可以分为两大类[2]：一是格构式自立塔架结构；二是塔线体系结构。格构式自立塔架结构包括电视塔、通讯塔、钻井等；塔线体系结构则主要指输电塔线体系和桅杆结构。当不考虑输电线与输电塔的耦合效应时，输电塔可以按格构式自立塔架进行研究，而桅杆结构则主要是依靠预拉力缆绳的牵引而直立的。桅杆结构一般是由大量的角钢铆接而成的杆身、多层固定在地面上牵拉的缆绳及细长的顶端天线三部分组成。桅杆结构通常都是3根腿柱或4根腿柱，并由斜撑(腹杆)和水平支撑组装而成的杆身，从而通过杆身将风荷载作用传递

3、至基础。ethod)的基本思想是采用以离散谱逼近目标随机过程模型的一种离散化数值模拟方法，简单讲就是三角级数叠加求和的频谱表示法。随机信号可以通过离散傅立叶分析变换，分解为一系列具有不同频率和幅值的正弦或其他谐波，谱密度就等于由带宽划分的这些谐波幅值的平方和[49]。........第三章桅杆结构顺风向风荷载及非线性时程分析........273.1桅杆结构模型参数及结构形式.........273.2桅杆结构的有限元模型............303.2.1结构有限元模型....303.2.2模型全局坐标布置.........3

4、13.2.3桅杆结构的模态分析.....323.3时程风荷载的计算...........353.4非线性时程分析......393.4.1结构阻尼的确定....403.4.2脉动风荷载下桅杆结构风振响应时程结果.....40本章小结.......43第四章时程分析与风洞试验结果及PatchLoad法对比分析.........454.1风洞试验简介..........4544.2桅杆结构风致位移响应结果对比.....514.2.1郊区B类......514.2.2近海A类......534.3桅杆结构风致弯矩响应结果对比.....5

5、84.3.1郊区B类......584.3.2近海A类......584.4峰值因子比较..........624.5Patchload法............66本章小结.......72第五章结论与展望......735.1本文总结.........735.2展望........73第四章时程分析与风洞试验结果及PatchLoad法对比分析对于轻质、纤长、阻尼小及刚度柔的桅杆结构，风荷载对此类构件的影响是非常大的。目前研究格构式塔架的风振响应理论，特别是橫向风致振动响应还不太成熟，为了更好地研究桅杆结构的风振响应，风洞试验是

6、当今最主要的一个试验方法。根据我国荷载规范规定，对高层建筑、大桥、电视塔等大型结构建议进行风洞试验研究[52]。风洞的分类根据不同的通途、工业领域、大小等进行不同的分类。我们一般的风洞试验一般分为低速风洞和高速风洞。风洞试验是通过相似原理，将结构按照相似比做成对应的缩尺模型放入风洞中，通过人为可控制的风速在风洞洞体中进行试验，从而得到桅杆结构在各风向条件下的气动风荷载及相应的风致动力响应等。本章以文献[52]和论文第三章所选用的格构式桅杆结构为实例，风洞实验结果取自文献[52]的气动弹性模型风洞实验结果，通过第三章桅杆结构在模拟顺

7、风向时程荷载作用下的非线性时程动力分析结果，与气动弹性模型风洞实验结果进行对比，达到数值分析方法与风洞实验结果相互验证和相互补充的目的。.........总结本论文研究了一个高285m、带4层牵拉的格构式桅杆结构在郊区B类(中度湍流度)和近海A类(低湍流度)两类地面粗糙度下，分别在0度和60度风向受顺风向荷载作用时的风致动力响应。由于没有桅杆结构的实测数据，本论文采用线性滤波法及随机振动理论对结构进行风速时程模拟，选择指数律风剖面和Karman脉动风速谱。然后，通过有限元软件SAP2000建模，在考虑缆绳预应力和格构式结构几何非线

8、性效应下，分析计算此桅杆结构在时程风荷载下的非线性时程动力响应。并将研究结果同风洞试验数据进行对比分析，在此基础上对格构式桅杆结构风致响应计算的伪静力计算法PatchLoad法进行分析与比较。通过本文工作，得出以下主要结论：(1)由于缺少实测数据，