张拉膜结构气弹失稳机理研究

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1、国内图书分类号：TU393.3学校代码：10213国际图书分类号：624密级：公开工学博士学位论文张拉膜结构气弹失稳机理研究博士研究生：陈昭庆导师：武岳教授副导师：孙晓颖副教授申请学位：工学博士学科：结构工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU393.3U.D.C:624DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringINVESTIGATIONOFAEROELASTICINSTABI

2、LITYMECHANISMOFTENSIONEDMEMBRANESTRUCTURESCandidate：ZhaoqingChenSupervisor：Prof.YueWuSecondarySupervisor:AssociateProf.XiaoyingSunAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：StructuralEngineeringAffiliation：SchoolofCivilEngineeringDateofDef

3、ence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要膜结构因其轻柔特性，在风荷载作用下会产生较大的变形和振动，这种变形和振动反过来又影响到结构周围的流场，形成所谓的“流固耦合效应”。特定条件下，流固耦合效应会导致结构振幅随风速增加急剧增大，产生类似桥梁和机翼的气弹失稳现象。由于气弹失稳对结构抗风安全威胁很大，因而对其作用机理的研究一直是结构风工程领域的重要课题之一。但这方面的工作以往多集中于桥梁结构，

4、对膜结构的研究很少。其中的一个重要原因在于，膜结构的动力特性十分复杂，难以像桥梁那样简化为仅具有平动和转动自由度的节段模型。近年来，国内外大型膜结构在强风作用下的破坏事件时有发生，说明现阶段的膜结构抗风设计理论还存在一定的不足，需要进一步探索膜结构的风致动力灾变的机理，探讨气弹失稳发生的可能性及应对措施。基于上述背景，本文开展了系列膜结构气弹模型风洞试验研究，通过对结构多种响应特征参数随风速变化规律的探讨，明确了结构与风场间的相互作用机制，揭示了膜结构的气弹失稳机理，建立了考虑气弹失稳的膜结构抗风

5、设计方法。本文主要工作包括如下几方面：1．建立了基于全荷载域和多响应特征的膜结构气弹失稳研究方法。鉴于膜结构风振响应具有几何非线性明显和多阶模态参振等特点，传统的结构气弹失稳研究方法不再适用，需建立适用于多自由度柔性体系的气弹失稳研究方法。为此，提出了基于全荷载域和多响应特征的膜结构气弹失稳综合研究方法。该方法是以气弹模型风洞试验为主，联合运用数值模拟和解析方法，从结构响应特征和流场变化规律两方面入手，通过考察不同风速（全荷载域）下结构响应与流场风速之间的相关性，以及结构振幅、主导振型和系统阻尼比

6、等特征参数的变化规律，来揭示膜结构的气弹失稳机理。在建立总体研究框架的基础上，对若干关键技术问题，如模态识别方法、阻尼识别方法和基于动边界技术的CFD数值模拟方法等进行了探讨，并验证了其有效性。2．设计并完成了系列典型膜结构气弹模型风洞试验。气弹模型风洞试验一直是结构风工程领域的一个难题，尤其是膜结构的气弹模型风洞试验，如何选择合适的模型材料以及如何避免测量装置对风场和结-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文构振动的干扰，都是需要解决的关键问题。基于对气弹模型相似理论、非接触测量技术和预张力施加方法

7、等问题的探讨，设计并完成了开敞式单向张拉膜结构、封闭式单向张拉膜结构和鞍形张拉膜结构气弹模型风洞试验，获得了不同风速下的结构风振响应及其表面风场变化数据。通过对结构振幅和主导振型在不同风速下的变化规律分析，发现存在振幅急剧增大和主导振型跳跃等现象，初步判断该现象与结构气弹失稳有关。3．联合运用多种研究手段，揭示了膜结构的气弹失稳机理。通过对全荷载域下结构的位移响应和流场风速相关性分析，确定发生气弹失稳的风速区间；结合频谱分析进一步考察了结构位移主导频率与风速主导频率，发现气弹失稳时风速主导频率出现

8、了类似涡激共振的锁定现象。为验证该现象，分别开展了考虑结构平均变形和受迫振动的CFD数值模拟研究，发现随着结构平衡构形的改变，结构表面的漩涡脱落频率也发生了变化，当其与结构某阶自振频率相接近时，就会引发结构的大幅振荡，而这种大幅振荡又反过来控制了漩涡脱落频率，从而出现锁定现象。此外，还分析了系统总阻尼比随风速的变化，发现其随风速增加呈现先增大后减小的特征，峰值点恰好对应出现气弹失稳时的前一个风速；该现象可解释为由于气动阻尼作用导致结构主导振型的阻尼比迅速增大，迫使结构跳跃到阻尼比较