武 岳，陳昭慶，孫曉穎

(1.結構工程災變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)，哈爾濱150090；2.東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林 132012)

張拉膜結構風致動力災變研究進展

武 岳1，陳昭慶2，孫曉穎1

(1.結構工程災變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)，哈爾濱150090；2.東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林 132012)

為明確膜結構的風致動力災變機理，分別從現(xiàn)場實測、氣彈模型風洞試驗、流固耦合數(shù)值模擬等方面的研究進展，探討了膜結構附加氣動力和氣彈失穩(wěn)機理等問題.研究表明：受實測設備、氣彈模型試驗相似理論和流固耦合模擬方法等方面的限制，膜結構流固耦合現(xiàn)象的觀測模擬方面，針對實際工程的研究仍比較少；流固耦合振動機理方面，普遍認為，氣彈失穩(wěn)與形成于結構表面附近的旋渦有關，表現(xiàn)為結構總阻尼比的大幅衰減；但已有研究成果多基于對簡單膜結構在近似均勻流場中振動現(xiàn)象的觀測得出，與實際工程相差比較大.建議以后從以下幾方面進一步深入：氣彈模型試驗相似理論的相似偏差量化分析方法和誤差修正技術；大型膜結構實際工程流固耦合數(shù)值模擬關鍵技術；基于現(xiàn)場實測、氣彈模型風洞試驗、數(shù)值模擬和解析等多種研究手段的膜結構氣彈失穩(wěn)機理研究；便于工程設計人員接受的考慮流固耦合的膜結構抗風設計方法.

張拉膜結構；風致動力災變；流固耦合；氣彈效應

建筑膜結構以其新穎獨特的造型和簡捷高效的傳力方式，近年來在國內外得到廣泛應用；然而膜結構的輕、柔特性也使其成為受風災害最為嚴重的結構類型之一[1-3].相關調查表明[4-6]，除設計與施工不合理外，由于流固耦合作用引起的大幅振動、膜結構門窗破壞引起的室內壓力突然變化、風致飛射物對膜面的沖擊作用、膜面積雪滑落(或排水)困難等，也是導致膜結構破壞的重要原因.其中，流固耦合作用引起的膜結構大幅振動是最普遍和最主要的原因[7-8].這種大幅振動會引起膜面及膜面與拉索連接部位出現(xiàn)局部應力集中現(xiàn)象，長時間的往復振動還會導致膜面或拉索出現(xiàn)疲勞損傷；由于膜面的抗撕裂強度遠低于其抗拉強度(通常只有抗拉強度的1/8～1/7)，因此，一旦膜結構出現(xiàn)小的破損，即會引起大面積的撕裂破壞.

本文總結了近年來在膜結構流固耦合現(xiàn)象的觀測與模擬、流固耦合振動機理等方面的研究進展并對未來的研究做出展望，以期為今后膜結構抗風領域的研究提供參考.

1 膜結構流固耦合現(xiàn)象的觀測與模擬

膜結構在強風作用下會產生大幅的變形和振動，這種變形和振動反過來又會影響到其表面的風壓分布，形成所謂的“流固耦合”效應[9]；在特定條件下，這種相互作用會加劇流場的分離和旋渦脫落，導致結構從風中吸收的能量大于振動本身所耗散的能量，出現(xiàn)所謂的“氣彈失穩(wěn)”[10].

要明確膜結構的流固耦合機理并在抗風設計中考慮這種耦合效應的影響，首先需實現(xiàn)對膜結構流固耦合現(xiàn)象的觀測或模擬.目前主要通過現(xiàn)場實測、氣彈模型風洞試驗和流固耦合數(shù)值模擬3種方法對膜結構的流固耦合現(xiàn)象進行觀測與模擬.

1.1 實測方法

實測方法不涉及模型的相似比問題，因此其響應結果最真實、最能反映膜結構的流固耦合效應，其結果除了用于流固耦合機理研究外，還常被用于驗證CFD數(shù)值模擬的正確性.

Michalski等[11](2011)對一個高19 m，投影寬29 m的傘形膜結構進行了長期實測，將實測獲得的風速數(shù)據(jù)輸入計算流體力學軟件中進行流固耦合數(shù)值模擬，通過比較實測結果與模擬結果驗證了數(shù)值模擬方法的正確性.韓國學者Kim等[12](2011)對韓國濟州島世界杯體育場膜結構的加速度響應進行了4年的觀測，其間經(jīng)歷了臺風Nabi(2005. 09. 05) 和 Shanshan(2006. 09. 17).研究發(fā)現(xiàn)：強風作用下，膜結構的氣彈效應明顯，結構頻率降低了5%，總阻尼比隨著振幅的增加增大了2倍左右，但未觀測到氣彈失穩(wěn)現(xiàn)象.國內學者朱丙虎等[13](2012)針對一次強風下上海世博軸索膜結構所處的風環(huán)境和膜結構表面風壓分布特性進行了實測.研究表明：實際結構所處風場湍流度非常大，風場具有顯著的紊亂性和隨機性；平均風壓系數(shù)的實測值略小于風洞試驗值，分布趨勢基本一致.

實測方法獲得的數(shù)據(jù)非常有價值，但目前為止，針對膜結構實際工程進行的實測仍比較少.這是因為：1)實測所需的監(jiān)測周期較長，通常需要2～3 a，監(jiān)測成本很高；2)實測方法對傳感器的抗風雨性能要求較高，目前能用于實測的儀器設備仍不是很多；3)實測中，來流不可控，不利于通過變換來流條件來研究膜結構的流固耦合機理.

1.2 氣彈模型試驗方法

氣彈模型試驗是揭示膜結構流固耦合效應及氣彈失穩(wěn)機理最有效的手段.相關研究工作主要包括相似理論的研究和氣彈模型試驗研究.

如何保證風洞試驗中測得的響應能夠真實的反映原型結構在自然風作用下的響應，即相似理論問題，是氣彈模型試驗需解決的一個基礎性問題[14].韓志惠等[15](2014)以1/5、1/10和1/20縮尺比的氣彈模型為例，分析了不同費勞德數(shù)、質量比、彈性模量對鞍形張拉膜結構風致動力響應的影響，給出了部分相似參數(shù)的理論取值控制范圍.陳昭慶[16](2015)探討了鞍形張拉膜結構氣彈模型試驗(圖1)時，相似參數(shù)及縮尺模型尺寸、材料參數(shù)的確定過程.總的來看，目前關于膜結構氣彈模型試驗相似理論的研究不多.

圖1 鞍形張拉膜結構氣彈模型[16]

國內外學者針對具體膜結構工程進行了一些氣彈模型風洞試驗研究.意大利學者Lazzari等[17](2003)以拉普拉塔體育場(La Plata Stadium)索膜結構為原型進行了氣彈模型風洞試驗，模型制作時保證頻率相似、幾何相似、結構剛度相似和阻尼相似.研究了結構發(fā)生氣彈失穩(wěn)的可能性，發(fā)現(xiàn)除最大風速外，結構振動中未發(fā)現(xiàn)任何與氣彈失穩(wěn)有關的現(xiàn)象；結構流固耦合效應與結構阻尼和剛度系數(shù)矩陣有關，阻尼和剛度系數(shù)矩陣由與風速有關的迭代矩陣來進行修正，隨著風速的增大，當?shù)仃嚪钦龝r，結構發(fā)生氣彈失穩(wěn).德國學者Rank等[18](2005)以一直徑30 m的傘形張拉膜結構為原型進行了氣彈模型風洞試驗，保證了結構的幾何相似，將試驗結果用于驗證CFD數(shù)值模擬方法的正確性，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結果與風洞試驗結果吻合良好.國內學者顧明等[19](2006)針對某體育場看臺弧形挑棚膜結構進行了氣彈模型試驗；模型制作時保證了頻率相似、幾何相似，放松了質量相似、阻尼相似.研究表明：氣彈模型試驗結果與風振響應分析結果非常相近.張其林等[20](2011)以世博軸1號和2號陽光谷膜結構為原型，進行了氣彈模型風洞試驗：模型制作時，陽光谷先用小鋼管做出形狀，外面用膜布張成相近形狀，安裝時，先按照零預應力下尺寸連接，再逐步張拉索和膜.作者研究了不同預張力、風速、風向角下膜結構的氣彈響應特征.研究發(fā)現(xiàn)：1)預應力較小區(qū)域的響應比較大；2)紊流場中膜結構的位移和加速度響應的統(tǒng)計值普遍大于均勻流中響應的統(tǒng)計值；3)紊流場中膜結構的風振系數(shù)普遍高于均勻流場中.

還有一些學者以假想原型的膜結構為基礎，進行氣彈模型試驗，研究了膜結構的氣彈響應特征.如武岳等[21](2008)，Yang等[22](2010)通過鞍形膜結構氣彈模型試驗，研究了結構的附加質量和氣動阻尼隨風速、風向、結構剛度和振動模態(tài)的變化規(guī)律.研究表明：氣動阻尼是影響結構振動特性的主要因素，結構的個別點出現(xiàn)了負氣動阻尼，說明結構可能發(fā)生局部氣彈失穩(wěn)；附加質量對結構振動特性的影響則比較小.Zhang等[23](2007)通過氣彈模型試驗，研究了車輻式索穹頂膜屋蓋在風荷載和地震荷載作用下的響應，給出了適合該類型屋蓋的一些氣彈響應的統(tǒng)計結果，研究中未發(fā)現(xiàn)和氣彈失穩(wěn)相關的現(xiàn)象.Li等[24](2009)針對索穹頂膜結構進行了氣彈模型風洞試驗，發(fā)現(xiàn)附加質量效應很明顯，受氣動阻尼的影響，膜結構的總阻尼比隨著風速的增加而增大，試驗中并未發(fā)現(xiàn)氣彈失穩(wěn)現(xiàn)象.表1為部分氣彈模型試驗中原型結構類型和模型膜材材料，目前用于氣彈模型試驗的膜材種類繁多，不同材料造成的模型在質量、阻尼、剛度等方面的誤差均不同，但大多數(shù)試驗并未對制作誤差引起的響應偏差進行分析和修正.

表1 膜結構氣彈模型材料統(tǒng)計表

Tab.1 Statistics of materials used for aero-elastic models of membrane structures

時間文獻模型類型膜材2003文獻[17]拉普拉塔體育場索膜未知2005文獻[18]傘形張拉膜Rubbersheet2006文獻[19]弧形挑棚膜結構牛皮紙2007文獻[23]車輻式索穹頂膜屋蓋未知2008文獻[21]鞍形索膜結構防雨綢2009文獻[24]索穹頂膜結構Rubbersheet2011文獻[20]世博軸陽光谷膜結構軟膜材5022015文獻[16]鞍形張拉膜乳膠膜

能夠看出：相似理論的研究方面，取得了一定的成果；但模型制作時，放松部分相似條件后，對結構響應的具體影響程度，仍無法做到量化分析.相似理論研究工作的滯后，導致目前針對膜結構實際工程的氣彈模型試驗仍比較少，有重要參考價值的研究更少[25].不考慮相似理論的限制，以假想模型為原型，以膜結構在風荷載作用下的氣彈響應為主要觀測對象的氣彈模型試驗取得了一定成果，但仍未徹底解決膜結構的流固耦合機理和氣彈失穩(wěn)機理.

1.3 流固耦合數(shù)值模擬方法

流固耦合數(shù)值模擬是通過將CFD計算流體力學技術、CSD(Computational Structural Dynamics)計算結構力學技術以及動網(wǎng)格技術相結合，在計算機上再現(xiàn)膜結構與風之間的流固耦合過程.流固耦合數(shù)值模擬方法按求解策略分為強耦合法和弱耦合法[26].

1.3.1 強耦合法

強耦合法通過對流體方程、結構方程和耦合條件同時進行聯(lián)立，然后在同一時間步內對所有變量進行同時求解.這種計算方法的求解精度高，但是對離散格式、計算方法以及網(wǎng)格劃分的精細程度等的要求也高.

Hubner等[27](2002)采用強耦合法研究了二維膜結構的流固耦合問題，計算結果收斂性較好，但他的研究并未引入湍流模型，因此還有待發(fā)展.國內學者孫芳錦等[28](2011)基于強耦合法，將偽實體模型引入到流體域中來處理變形問題，實現(xiàn)了二維雙坡屋面膜結構的數(shù)值模擬.

1.3.2 弱耦合法

弱耦合法是將流體域的和結構域的計算分開進行處理，然后通過設置一些具體的參數(shù)，在兩個計算域之間進行數(shù)據(jù)傳遞，以此實現(xiàn)兩個分區(qū)之間的耦合，計算效率較前者有很大的提升空間，因此成為流固耦合數(shù)值模擬領域內的研究熱點.

武岳等[29-30](2007, 2008)、孫曉穎等[31](2012)在弱耦合算法的基礎上，綜合運用FLUENT6.0軟件、自行編制的結構動力分析和動網(wǎng)格程序，實現(xiàn)了膜結構的流固耦合數(shù)值模擬.孫曉穎等[32-33](2007，2010)提出了一種簡化數(shù)值模擬方法，將膜結構的風振響應分為平均響應、背景響應、共振響應三部分；將與之對應的流固耦合過程分為靜態(tài)耦合、擬靜態(tài)耦合和瞬態(tài)耦合三種耦合；針對每一種耦合的具體特點, 分別采用不同的方法進行求解.這種計算方法，使流固耦合數(shù)值模擬過程得到了很大簡化，作者運用這個方法實現(xiàn)了對鞍形張拉膜結構的流固耦合簡化數(shù)值模擬(圖2).王彬等[34-35](2007，2008)基于弱耦合分區(qū)算法，將荷載和位移的傳遞分別通過守恒和非守恒插值方法來實現(xiàn)，對流固耦合過程進行了簡化，實現(xiàn)了對一系列三維張拉膜結構的流固耦合數(shù)值模擬.朱偉亮等[36](2010)基于ADINA軟件，實現(xiàn)了鞍形張拉膜結構的流固耦合數(shù)值模擬，并探討了流場對結構振動的影響，研究表明：膜結構上方存在明顯的旋渦；當結構預張力較小時，膜結構在旋渦作用下出現(xiàn)了類似行波的振動；在氣流分離點附近以及旋渦脫落明顯的區(qū)域，結構的振幅及振動頻率較大.劉振華[37](2007)基于ADINA軟件，采用偽結構法進行動網(wǎng)格處理，改善了流體和結構界面網(wǎng)格間的協(xié)調性和信息傳遞映射策略，實現(xiàn)了三維膜結構的流固耦合數(shù)值模擬.李啟等[38-39](2012，2014)基于弱耦合算法，將亞格子模型模塊和動網(wǎng)格模塊與求解任意拉格朗日歐拉動網(wǎng)格-大渦模擬(ALE-LES)方程的程序結合；采用九點網(wǎng)格重構法優(yōu)化了動網(wǎng)格更新策略，解決了網(wǎng)格畸變的問題；開發(fā)了適用于模擬動邊界鈍體繞流風場的CFD計算程序，實現(xiàn)了二維封閉式平屋蓋膜結構和四周封閉的三維大跨平屋蓋膜結構的數(shù)值模擬.金鑫[40](2012)基于ADINA軟件中的迭代求解算法，實現(xiàn)了傘形和鞍形張拉膜結構的流固耦合數(shù)值模擬.丁靜鵠等[41-42](2013)將非協(xié)調邊界元計算勢流的方法引入到傳統(tǒng)渦方法中，通過引入預處理循環(huán)型廣義極小殘余迭代算法，使膜結構的流固耦合計算效率大大提高，同時膜結構位移均值的數(shù)值模擬結果與氣彈模型試驗結果吻合良好.

圖2 鞍形膜屋蓋流固耦合數(shù)值模擬[32]

Fig.2 Fluid-structure interaction simulation of saddle-shaped membrane structure[32]

由此可知：近年內，流固耦合數(shù)值模擬方法在計算策略和計算效率上已經(jīng)取得了一定的進展，但該進展僅限于對簡單的膜結構進行分析，對實際工程進行流固耦合數(shù)值模擬時，動網(wǎng)格更新效率仍不是很高，數(shù)值模擬所需計算量仍十分巨大，還遠未達到大規(guī)模推廣運用和指導工程設計的程度.

2 流固耦合振動機理研究

2.1 膜結構附加氣動力的研究

通常認為，膜結構的流固耦合效應與附加氣動力(包括：附加質量、氣動阻尼、氣承剛度)有很大的關系[43].受附加氣動力的影響，膜結構在流體中的振動頻率通常會小于其在真空中的頻率；當氣動阻尼與結構阻尼之和為零或為負時，會導致結構中出現(xiàn)不穩(wěn)定的大幅振動，發(fā)生氣彈失穩(wěn).因此，準確評估結構的附加質量和氣動阻尼，對于明確結構的氣彈效應和判斷結構振動中是否發(fā)生了氣彈失穩(wěn)非常重要.

關于附加質量和氣動阻尼的研究多集中在靜止空氣中振動膜結構的附加質量以及氣動阻尼的提取方法等方面.Irwin等[14](1979)假定膜結構附加質量的量值等于膜結構上方一個球形空間內空氣的質量，并給出了經(jīng)驗公式ma=0.282ρairA-0.5，其中ρair為空氣密度，A表示膜面面積.Minami[44](1998)運用薄翼理論推導了以正弦半波模態(tài)振動的平面張拉膜的附加質量公式，發(fā)現(xiàn)靜止空氣中膜結構的附加質量等于0.68ρairl其中l(wèi)表示模型的跨度.Li等[45](2011)、王磊等[46](2011)、 Zhou等[47](2014)研究了膜結構在不同密度的靜止空氣中的附加質量，假定每個模態(tài)的附加質量等于膜上方αml高度范圍內的空氣質量，其中αm為附加質量系數(shù)，約等于0.65，l為相應振動區(qū)域的內切圓直徑.Marukawa 等[48](1996)給出了利用隨機減量法從結構位移響應中提取結構總阻尼比的方法.Kareem 等[49](1996)討論了從結構振動位移時程中提取結構阻尼時涉及到的各種不確定性因素，分析了幾種典型的譜方法、時間序列法求解結構總阻尼比的優(yōu)缺點，并給出了求解示例.Peng等[50](2005)給出了基于Hilbert-Huang變換的從結構位移響應中求解結構阻尼比的方法.武岳[43](2003)、楊慶山等[51](2008)設計了鞍形索膜結構的靜風耦合試驗，給出了提取結構附加質量和氣動阻尼的方法；通過改變鞍形索網(wǎng)上覆蓋膜片的面積并測量振動頻率與阻尼比，測量了附加質量和氣動阻尼的量值.研究表明：受附加質量效應的影響，膜結構基頻降低達到15%；附加質量達到結構質量的37%，氣動阻尼比達9%.

Chen等[52](2015)基于氣動聲學和擬靜態(tài)理論，對均勻來流作用下，小振幅振動的開敞式單向張拉膜結構的附加質量和氣動阻尼的解析表達式進行了推導，通過氣彈模型試驗驗證了其有效性.將低風速均勻流中振動膜結構表面的風荷載，簡化為氣動聲壓和擬靜態(tài)風壓之和.前者由膜面振動過程中被擠壓的空氣的反作用形成，與來流無關，可通過氣動聲學理論進行評估；后者由風荷載作用下膜結構表面的擬靜態(tài)風壓引起，因膜面振動引起的瞬時形狀的改變而變化，與來流有關，通過一周期內不同位置模型的CFD數(shù)值模擬結果進行評估.研究表明：氣動聲壓引起的附加質量為2ρairl/nπ, 擬靜態(tài)風壓引起的附加質量解析式為ρairU02an/2y0ωs,n2，氣動阻尼解析式為ρairU02bn/2y0ωs,n.其中，ρair為空氣密度，l為跨度，n為模態(tài)階數(shù)，U0為風速，y0為結構的振幅，an、bn為與形狀改變有關的氣動力系數(shù)，ωs,n為結構n階模態(tài)圓頻率.研究發(fā)現(xiàn)：低風速均勻流中，張拉膜結構的附加質量隨著風速的增大而增大，可達到結構質量的3.5～6.9倍；結構的總阻尼比普遍遠大于靜止空氣中的結構阻尼比.

表2為以上各位學者根據(jù)不同理論或研究方法得出的附加質量解析表達式.其中，Chen等[52](2015)的公式為均勻流中以各階模態(tài)振動的單向張拉膜的附加質量表達式.公式第一項在數(shù)值上等于靜止空氣中振動的單向張拉膜的附加質量.對于一階模態(tài)的振動，n取1，表達式可簡化為0.64ρairl，與Minami[44]和Li等[45]基于薄翼理論和真空試驗得出的解析公式非常接近.

表2 不同學者給出的附加質量解析表達式

Tab.2 Analytical expressions of added mass for tensioned membrane structures from different scholars

年份文獻表達式依據(jù)結構類型1979文獻[14]0．282ρairA-0．5試驗張拉膜1998文獻[44]0．68ρairl薄翼理論靜止空氣中單向張拉膜2011文獻[45]0．65ρairl真空試驗靜止空氣中張拉膜2015文獻[52]2ρairlnπ+ρairU20an2y0ωs，n2氣動聲學和擬靜態(tài)理論均勻流中單向張拉膜

綜上所述，目前膜結構附加質量的提取方法仍然局限在靜止空氣或均勻流中小振幅振動的膜結構，與實際膜結構工作的流場環(huán)境相差甚遠；氣動阻尼的提取方面，如何考慮各種不確定性因素的影響，將結構阻尼和氣動阻尼分離，仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的工作.

2.2 氣彈失穩(wěn)機理研究

“氣彈失穩(wěn)”的概念，來源于機翼、超高層建筑、超大跨橋梁等具有一定柔性的結構，指的是彈性體在氣動力作用下由于流固耦合作用產生的一種不穩(wěn)定的發(fā)散振動現(xiàn)象[53].關于膜結構氣彈失穩(wěn)機理的研究，包括：氣彈失穩(wěn)現(xiàn)象的觀測、氣彈失穩(wěn)原因的研究及失穩(wěn)判定方法等.

氣彈失穩(wěn)現(xiàn)象的觀測方面，Sugulski[54](2007)通過風洞試驗測量一個開敞式單向張拉膜結構在亞音速流體中的氣彈響應，將超過一定風速后，結構變形隨風速增大開始迅速增加的現(xiàn)象定義為發(fā)散式氣彈失穩(wěn)；將結構振動中出現(xiàn)了3個半波的駐波模態(tài)時的振動稱之為顫振式氣彈失穩(wěn).

氣彈失穩(wěn)原因及判定準則方面，一種觀點認為：膜結構的氣彈失穩(wěn)與結構總阻尼的變化有關，氣彈失穩(wěn)是由于膜結構在振動過程中，超過一定風速后，從風中吸收的能量開始等于或大于結構阻尼所消耗的能量[8].這種觀點借鑒了橋梁和機翼方面對氣彈失穩(wěn)的解釋，其理論來源是解析法.解析法在求解結構與流體的動力耦合方程時，根據(jù)結構穩(wěn)定理論和特征值分析得出結構的氣彈失穩(wěn)條件：結構特征方程有唯一實根時，也即總阻尼比為零時，結構發(fā)生氣彈失穩(wěn).李慶祥等[55](2006)根據(jù)大撓度薄殼的無矩理論建立了封閉式薄膜屋蓋的控制方程，將勢流理論與薄翼理論相結合建立了風與薄膜屋蓋的動力耦合方程；通過假定結構出現(xiàn)單模態(tài)失穩(wěn)和多模態(tài)耦合失穩(wěn)，推導了二維封閉式膜結構的單模態(tài)失穩(wěn)和雙模態(tài)失穩(wěn)臨界風速.李慶祥等[56](2006)還基于理想勢流理論，運用行波模擬薄膜振動形態(tài)的方法推導了均勻流場中小曲率薄膜的振動特征方程，探討了結構的氣彈失穩(wěn)類型和失穩(wěn)階段；通過將能量守恒定理和牛頓迭代法相結合求解了結構的最大幅值，根據(jù)薄膜結構表面氣動力、薄膜自重和慣性力之間的動力平衡關系推導了結構的一階失穩(wěn)臨界風速.劉瑞霞等[57](2005)、楊慶山等[58-59](2006)通過聯(lián)合運用扁殼的無矩理論和流體理想勢流理論，建立了來流沿著結構拱向時和來流沿著垂直于拱向方向時，小垂度矩形平面雙曲薄膜屋蓋結構與風之間的耦合動力方程，利用Bubnov-Galerkin方法將耦合動力方程簡化為一常系數(shù)二階微分方程，根據(jù)Routh-Hurwitz穩(wěn)定準則確定了均勻理想勢流作用下小垂度矩形平面雙曲薄膜屋蓋結構的氣彈失穩(wěn)臨界風速，討論了臨界風速與膜材參數(shù)、屋蓋幾何尺寸和形狀及兩個方向上的預張力之間的關系，提出了防止結構氣彈失穩(wěn)的一些措施.

另外一種觀點認為：膜結構的氣彈失穩(wěn)與屋蓋附近的旋渦有關.Matsumoto[60](1990)通過氣彈模型試驗研究了柔性單向懸掛索屋蓋在均勻流中的振動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)：超過一定風速后，結構振幅隨風速的增大迅速增大，這種現(xiàn)象是由形成于屋蓋上方，且從上游以一定速率往下游傳遞的旋渦引起的，是一種由渦激振動引起的失穩(wěn).Wu等[30](2008)通過單向張拉膜結構的流固耦合數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)形成于屋蓋前緣的大尺度渦是導致結構振動的主要原因.孫曉穎等[61](2013)、陳昭慶等[16,62](2015)、Wu等[63](2015)進行了開敞式單向張拉膜結構、封閉式單向張拉膜結構、鞍形張拉膜結構的氣彈模型試驗；研究發(fā)現(xiàn)：膜結構的氣彈失穩(wěn)以超過一定風速后振幅突然增大、結構主振動模態(tài)發(fā)生跳躍、結構總阻尼迅速衰減等為主要特征(見圖3中30°、45°風向角下鞍形張拉膜總阻尼比隨風速變化特征，且總阻尼比發(fā)生衰減時的風速正好等于振幅突增、模態(tài)跳躍和發(fā)生渦激共振的風速).氣彈失穩(wěn)由渦激共振引起，當膜面平均變形增大到一定程度，流體流經(jīng)結構前緣后形成周期性脫落的旋渦；旋渦以一定速度從上游往下游運動，引起膜結構表面出現(xiàn)周期性的升力；當升力的周期與結構某一階模態(tài)周期接近時，誘發(fā)該階模態(tài)主導的渦激共振，隨著風速的繼續(xù)增大，可能發(fā)生其它階模態(tài)主導的渦激共振.氣彈失穩(wěn)發(fā)生后，膜面上方的旋渦在從上游往下游運動的過程中，與結構振動發(fā)生耦合，導致一定風速范圍旋渦主頻被振動鎖定.失穩(wěn)后，系統(tǒng)總阻尼比接近于0，但不會小于或等于0.膜結構振動過程中出現(xiàn)以下特征后，可判定其發(fā)生了氣彈失穩(wěn)：1)振幅隨風速增大突然迅速增大，振幅放大系數(shù)達到2.5以上；2)結構由一種振動模態(tài)跳躍到另外一種振動模態(tài)；3)結構總響應阻尼比隨風速增大迅速衰減[16].

圖3 鞍形張拉膜結構總阻尼比隨風速變化特征[16]

Fig.3 Total damping ratios of saddle-shapedmembrane structure at different wind speeds[16]

在對張拉膜結構氣彈失穩(wěn)機理有了一定認識的基礎上，莊夢園[64](2016)探討了設置導流板、格柵，改變預張力、矢跨比等控制措施對鞍形膜結構荷載分布、位移響應的影響，并給出了風振控制的建議.發(fā)現(xiàn)增大預張力、矢跨比，對最大位移有一定控制效果；增加附加氣動裝置對降低迎風角部或結構邊緣的極值風壓有一定控制效果；施加懸空導流板對降低膜結構的風致最大位移有一定的控制效果(圖4).

關于膜結構氣彈失穩(wěn)機理的認識，已經(jīng)取得了一定進展，普遍認為：膜結構的氣彈失穩(wěn)與形成于結構表面附近的旋渦有關，表現(xiàn)為結構總阻尼比的大幅衰減.但目前已有研究成果多基于對簡單膜結構在近似均勻流場中振動現(xiàn)象的觀測得出，實際工程膜結構的形狀遠比這些模型復雜，流場繞流情況遠比均勻流復雜.因此，關于大型膜結構在實際風荷載作用下的氣彈失穩(wěn)機理，仍需進一步探索.關于膜結構風致振動氣動控制方面的研究，目前仍處于探索階段，距離實際工程應用還有較大的距離.

圖4 鞍形張拉膜結構氣動控制風洞實驗模型[64]

Fig.4 Wind tunnel model for control of wind-induced vibrations of tensioned membrane structures[64]

3 結論與展望

經(jīng)過近20年的研究，膜結構的風致動力災變研究取得了一定的成果；但受膜結構自身流場繞流特點、多自由度體系、強幾何非線性等特性的制約，目前的研究仍未徹底解決膜結構的風致災變機理問題.基于上述工作，建議今后從以下幾個方面進一步展開研究：

1)完善現(xiàn)有的膜結構氣彈模型試驗方法，對現(xiàn)有的相似理論進行改進，量化分析制作模型時部分相似參數(shù)的放松對結構響應的影響，提出對模型制作誤差引起的結構響應偏差的修正方法.

2)進一步開展針對膜結構流固耦合數(shù)值模擬方法的研究，在動網(wǎng)格技術、計算效率、計算精度等方面進行提升，推動流固耦合數(shù)值模擬方法在大型膜結構工程設計中的運用.

3)針對典型膜結構展開一系列的野外實測和足尺氣彈模型風洞試驗研究，聯(lián)合運用膜結構流固耦合數(shù)值模擬方法及解析理論，明確膜結構與風之間的相互作用過程及能量傳遞機制.

4)完善現(xiàn)有的膜結構抗風設計方法，提出便于工程設計人員接受的考慮流固耦合的膜結構抗風設計方法.

[1] 嚴慧, 呂子正, 韋國岐. 膜結構的風損事故及防范[J].建筑結構, 2008, 38(7): 113-116. YAN Hui, LYU Zizheng, WEI Guoqi. Wind damage accidents of membrane structures and counter measures[J]. Building Structures, 2008, 38(7): 113-116.

[2] 嚴慧,艾威. 膜結構常見疵病、損傷及防治[J]. 空間結構, 2007,13(2):26-31. DOI: 10.13849 /j.issn. 1006-6578. 2007. 02. 005. YAN Hui, AI Wei.Familiar flaw, disfiguration and prevention of membrane structures[J]. Spatial Structures, 2007, 13(2):26-31. DOI: 10.13849 /j.issn. 1006-6578. 2007. 02. 005.

[3] 沈世釗, 武岳. 大跨空間結構抗風研究新進展與展望. [C]// 第十三屆全國結構風工程學術會議.大連：中國土木工程學會橋梁與結構工程分會風工程委員會, 2007:1-8. SHEN Shizhao, WU Yue. New progress and prospects of the wind-resistant study for large span space structure[C]// Proceeding of the 13th Conference on Structural Wind Engineering in China.Dalian：Wind Engineering Committee of Bridge and Structural Engineering Branch of China Civil Engineering Society, 2007: 1-8.

[4] KIM S D. On the membrane collapse of Jeju word cup stadium by typhoon[C]// Symposium of IASS-APCS (International Association for Shell and Spatial Structures-Asian Pacific Conference on Shell and Spatial Structures).Taipei: International Association for Shell and Spatial Structures, 2003, 60-61.

[5] 翁曉博. 索膜結構挑棚設計及膜結構事故分析[D]. 杭州：浙江大學, 2006:48-63. WENG Xiaobo.Design of cable and membrane structure awning and analysis on accident of membrane Structure[D]. Hangzhou：Zhenjiang University, 2006:48-63.

[6] 胥傳喜. 膜結構的工程事故與質量通病防治[J]. 工業(yè)建筑，2005, 35(2)：83-88. DOI: 10.13204/j.gyjz2005.02.023. XU Chuanxi. Prevention and treatment of engineering accident and quality common failing in membrane structure [J]. Industrial Construction, 2005, 35(2):83-88.DOI: 10.13204/j.gyjz2005.02.023.

[7] GIONVU V. Progressive collapse in space structures[C]// Symposium of IASS-APCS (International Association for Shell and Spatial Structures-Asian Pacific Conference on Shell and Spatial Structures).Beijing: International Association for Shell and Spatial Structures, 2006：18-19.

[8] 楊慶山.薄膜結構的風致動力效應初探[J].空間結構, 2002, 8(4): 3-10. DOI:10.13849/j.issn.1006-6578.2002.04.001 YANG Qingshan. Preliminary studies on wind-induced response of fabric structures [J]. Spatial Structures, 2002,8(4): 3-10. DOI:10.13849/j.issn.1006-6578.2002.04.001.

[9] 沈世釗, 武岳. 膜結構風振響應中的流固耦合效應研究進展[J]. 建筑科學與工程學報, 2006, 23(1): 1-9. SHEN Shizhao, WU Yue. Research progress on fluid-solid interaction effect of wind induced vibration of membrane structure [J]. Journal of Architecture and Civil Engineering, 2006, 23(1): 1-9.

[10]武岳, 楊慶山, 沈世釗. 膜結構分析理論研究現(xiàn)狀與展望[J]. 工程力學, 2014, 31(2): 1-14. DOI: 10. 6052/j.issn. 1000-4750. 2013. 05. ST03. WU Yue, YANG Qingshan, SHEN Shizhao. The current status and prospects of analysis theory of membrane structures[J]. Engineering Mechanics, 2014, 31(2): 1-14. DOI: 10. 6052/j.issn. 1000-4750. 2013. 05. ST03.

[11]MICHALSKI A, KERMEL P D, HAUG E, et al. Validation of the computationaluid-structure interaction simulation at real-scale tests of aexible 29 m umbrella in natural window[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2011,99: 400-413. DOI: 10. 1016/j. jweia. 2010. 12. 010.

[12]KIM J Y, YU E, KIM D Y, et al. Long-term monitoring of wind-induced response of a large-span roof structure[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2011, 99(9): 955-963. DOI:10.1016/j.jweia.2011.06.008.

[13]朱丙虎,張其林. 世博軸索膜結構屋面風效應的監(jiān)測分析[J].華南理工大學學報(自然科學版), 2012,40(2):13-18. DOI: 10．3969/j. issn．1000-565X．2012．02．003. ZHU Binghu ZHANG Qilin. Monitoring and analysis of wind effect on membrane roof of Expo Axis[J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2012, 40(2): 13-18. DOI: 10．3969/j. issn．1000-565X．2012．02．003.

[14]IRWIN H P A H, WARDLAW R L A. wind tunnel investigation of a retractable fabric roof for the Montreal Olympic Stadium [C]// Proceeding of the 5th International Conference on Wind Engineering. Colorado, USA: International Association for Wind Engineering, Pergamon Press, 1979: 925-938.

[15]韓志惠，顧明. 非線性鞍形張拉膜結構氣彈模型相似參數(shù)分析[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2014, 42(4): 532-538. DOI: 10. 3969/j. issn. 0253-374x. 2014. 04. 006. HAN Zhihui, GU Ming. Similarity parameter analysis of aeroelastic model for nonlinear saddle tensioned membrane structure[J]. Journal of Tongji University (Natural Science Edition), 2014, 42(4): 532-538. DOI: 10. 3969/j. issn. 0253-374x. 2014. 04. 006.

[16]陳昭慶. 張拉膜結構氣彈失穩(wěn)機理研究 [D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2015. CHEN Zhaoqing. Research on the aero-elastic instability mechanism of tensioned membrane structure[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2015.

[17]LAZZARI M, VITALIANI R V, MAJOWIECKI M, et al. Dynamic behavior of a tensegrity system subjected to follower wind loading [J]. Computers and Structures 2003, 81: 2199-2217. DOI:10.1016/S0045-7949(03)00291-8.

[18]RANK E, HALFMANN A, SCHOLZ D, et al. Wind loads on lightweight structures: Numerical simulation and wind tunnel tests[J]. Gamm-mitteilungen, 2005, 28(1):73-89.

[19]顧明，朱川海. 體育場主看臺弧形挑篷氣彈模型風洞試驗和響應特性[J]. 土木工程學報, 2006, 39(10):54-59. DOI：10.15951/j.tmgcxb.2006.10.009. GU Ming, ZHU Chuanhai. Wind tunnel test on an aeroelastic model of grandstand cantilevered roof of large stadium and features of wind-induced response [J]. China Civil Engineering Journal, 2006, 39(10): 54-59. DOI：10.15951/j. tmgcxb. 2006.10.009.

[20]張其林, 周穎, 艾輝林,等. 世博軸膜結構氣彈模型風洞試驗研究[J]. 工程質量, 2011, 12(6):32-37. ZHANG Qilin, ZHOU Ying, AI Huilin, et al.Wind tunnel test of an aero-elastic model of membrane roof for Central Axis of the 2010 Shanghai Expo [J]. Construction Quality, 2011, 12(6):32-37.

[21]武岳,楊慶山,沈世釗. 索膜結構風振氣彈效應的風洞實驗研究[J].工程力學，2008，25(1)：8-15. WU Yue, YANG Qingshan, SHEN Shizhao. Wind tunnel tests on aeroelastic effect of wind-induced vibration of tension structures [J]. Engineering Mechanics, 2008，25(1): 8-15.

[22]YANG Qingshan, WU Yue ,ZHU Weiliang. Experimental study on interaction between membrane structures and wind environment [J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2010, 9(4): 523-532. DOI: 10. 1007/s11803 - 010- 0034-0.

[23]ZHANG Zhihong, TAMURA Y. Wind tunnel test on cable dome of Geiger type [J]. Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, 2007, 2(3): 218-224. DOI: 10.1115/1. 2730848.

[24]LI Yuanqing , WANG Lei, TAMURA Y, et al. Wind tunnel test on levy type cable dome[C]//Proceeding of the 7th Asia-Pacific Conference on Wind Engineering.Taipei, Taiwan:International Association for Shell and Spatial Structures, 2009.

[25]顧明, 陸海峰. 膜結構風荷載和風致響應研究進展[J]. 振動與沖擊, 2006, 25(3): 25-43. DOI：10.13465/j. cnki. jvs. 2006. 03. 007. GU Ming, LU Haifeng. Wind loads and wind induced vibration of membrane structures: state of the art[J]. Journal of Vibration and Shock, 2006, 25(3): 25-43. DOI：10.13465/j. cnki. jvs.2006.03.007.

[26]錢若軍, 董石麟, 袁行飛. 流固耦合理論研究進展[J]. 空間結構, 2008, 14(1): 3-15. DOI：10.13849/j.issn.1006-6578. 2008.01.002 QIAN Ruojun, DONG Shilin, YUAN Xingfei. Advances in research on fluid-structure interaction theory[J]. Spatial Structures, 2008, 14(1): 3-15. DOI：10.13849/j. issn. 1006 -6578. 2008.01.002.

[27]HUBNER B, WALHOM E, DINKLER D. Simultaneous Solution to the Interaction of Wind Flow and Lightweight Membrane Structures[C]//Proceedings of the International Conference on On Lightweight Structures in Civil Engineering.Warsaw:[s.n.], 2002:519-523.

[28]孫芳錦，殷志祥, 顧明. 強耦合法在膜結構風振流固耦合分析中的程序實現(xiàn)與應用[J]. 振動與沖擊, 2011, 30(6): 213-264. DOI：10.13465/j.cnki.jvs.2011.06.053. SUN Fangjin, YIN Zhixiang, GU Ming. Implementation and application of strongly coupling method in fluid-structure interaction analysis on wind-induced vibration of membrane structures[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(6): 213-264. DOI：10.13465/j.cnki.jvs.2011.06.053.

[29]武岳, 孫曉穎，沈世釗. 單向懸掛屋蓋結構的風致氣彈耦合效應數(shù)值模擬[J].計算力學學報, 2007, 24(5)：571-578. WU Yue, SUN Xiaoying, SHEN Shizhao. Numerical simulation on the aeroelastic effects of uni-directional suspension structures [J]. Chinese Journal of Computational Mechanics, 2007, 24(5)：571-578.

[30]WU Yue, SUN Xiaoying, SHEN Shizhao. Computation of wind-structure interaction on tension structures[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2008, 96(10): 2019-2032. DOI:10.1016/j.jweia.2008.02.043.

[31]孫曉穎, 武岳, 陳昭慶. 薄膜結構流固耦合的CFD數(shù)值模擬研究[J].計算力學學報, 2012, 29(6)：873-878. SUN Xiaoying, WU Yue, CHEN Zhaoqing. CFD numerical simulation on wind-structure interaction of membrane structures[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics, 2012, 29(6): 873-878.

[32]孫曉穎. 薄膜結構風振響應中的流固耦合效應研究 [D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2007. SUN Xiaoying. Study on wind-structure interaction in wind-induced vibration of membrane structure[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology. 2007.

[33]孫曉穎, 武岳，沈世釗. 薄膜結構流固耦合效應的簡化數(shù)值模擬方法[J]. 土木工程學報, 2010, 43(10): 30-35. DOI：10.15951/j.tmgcxb.2010.10.015. SUN Xiaoying, WU Yue, SHEN Shizhao. A combined numerical approach for wind-structure interaction of membrane structures [J]. China Civil Engineering Journal, 2010, 43(10): 30-35. DOI：10.15951/j.tmgcxb.2010.10.015.

[34]王彬，楊慶山. 弱耦合算法的實現(xiàn)及應用[J]. 工程力學, 2008, 25(12): 48-52. WANG Bin, YANG Qingshan. The realization and application of loosely coupled algorithm [J]. Engineering Mechanics, 2008, 25(12): 48-52.

[35]王彬, 楊慶山, 張群峰. 膜結構風致響應的分區(qū)耦合算法[J]. 北京交通大學學報(自然科學版), 2007, 4(31): 15-21. WANG Bin, YANG Qingshan, ZHANG Qunfeng.Partitioned coupling arithmetic of wind-induced response of membrane structure[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2007, 4(31): 15-21.

[36]朱偉亮, 楊慶山. 薄膜結構風致耦合作用數(shù)值初探[J]. 計算力學學報，2010, 27(3)：422-427. ZHU Weiliang, YANG Qingshan.Numerical investigation on fluid-structure interaction of membrane structure[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics，2010, 27(3): 422-427.

[37]劉振華. 膜結構流體-結構耦合作用風致動力響應數(shù)值模擬研究[D]. 上海：同濟大學, 2006. LIU Zhenhua. Fluid-structure interaction numerical simulation for wind-induced dynamic response of membrane structures[D]. Shanghai: Tongji University, 2006.

[38]李啟, 楊慶山. 建筑結構非定場繞流風場的數(shù)值模擬方法[J]. 北京交通大學學報, 2012, 36(1):63-67. LI Qi, YANG Qingshan. Unsteady numerical simulation method for wind field around building structure[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2012, 36(1):63-67.

[39]李啟. 含運動邊界鈍體繞流風場的大渦模擬數(shù)值算法[D]. 北京：北京交通大學, 2014. LI Qi. A numerical method for the large eddy simulation of the wind field around a bluff body with moving boundaries[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2014.

[40]金鑫. 張拉膜結構流固耦合的數(shù)值模擬研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2012. JIN Xin. Numerical simulation of fluid-structure interaction on tensioned membrane structure[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology. 2012.

[41]丁靜鵠, 葉繼紅. 基于改進渦方法的膜結構流固耦合研究[J].振動與沖擊, 2013, 32(24):61-69. DOI: 10. 13465/j. cnki. jvs. 2013. 24. 026. DING Jinghu, YE Jihong. Interaction between membrane structures and wind based on modified vortex method [J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(24): 61-69. DOI: 10. 13465/j. cnki. jvs. 2013. 24. 026.

[42]丁靜鵠, 葉繼紅. 基于非協(xié)調邊界元法和渦方法的黏性流場研究 [J]. 力學學報, 2013, 45(2):202-213. DOI：10.6052/0459-1879-12-171. DING Jinghu, YE Jihong. Viscous flow field based on discontinuous boundary element method and vortex method. [J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2013, 45(2): 202-213. DOI：10.6052/0459-1879-12-171.

[43]武岳. 考慮流固耦合作用的索膜結構風致動力響應研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學, 2003. WU Yue. Study on wind-induced vibration of tension structures with the consideration of wind-structure interaction[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2003.

[44]MINAMI H. Added mass of a membrane vibrating at finite amplitude[J]. Journal of Fluids and Structures, 1998, 12: 919-932. DOI:10.1006/jfls.1998.0175.

[45]LI Yuanqi, WANG Lei, SHEN Zuyuan, et al. Added-mass estimation of flat membranes vibrating in still air[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2011, 99: 815-824. DOI:10.1016/j.jweia.2011.05.006.

[46]王磊, 李元齊, 沈祖炎. 薄膜振動附加質量試驗研究[J].振動工程學報，2011, 24(2): 125-132. DOI：10.16385/ j.cnki.issn. 1004-4523.2011.02.018. WANG Lei, LI Yuanqi, SHEN Zuyan. Experimental investigation on the added mass of membranes vibrating in air[J]. Journal of Vibration Engineering，2011, 24(2): 125-132. DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2011.02.018.

[47]ZHOU Yi, (2016) LI Yuanqi, SHEN Zuyan, et al. Numerical analysis of added mass for open flat membrane vibrating in still air using the boundary element method[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2014, 131: 100-111. DOI: 10. 1016/j. jweia. 2014. 05. 007.

[48]MARUKAWA H, KATO N, FUJII K, et al. Experimental evaluation of aerodynamic damping of tall buildings[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1996，59: 177-190. DOI:10.1016/0167-6105(96)00006-2.

[49]KAREEM A, GURLEY K. Damping in structures: its evaluation and treatment of uncertainty[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1996, 59: 131-157. DOI: DOI:10.1016/0167-6105(96)00004-9.

[50]PENG Z K, TSE P W, CHU F L. An improved Hilbert-Huang transform and its application in vibration signal analysis[J]. Journal of Sound and Vibration. 2005, 286: 187-205. DOI:10.1016/j.jsv.2004.10.005.

[51]楊慶山, 王基盛, 朱偉亮. 薄膜結構與空氣環(huán)境靜力耦合作用的試驗研究[J]. 土木工程學報, 2008, 41(5): 19-25. DOI：10.15951/j.tmgcxb.2008.05.009. YANG Qingshan, WANG Jisheng, ZHU Weiliang.Experimental study on the static inter action between membrane structures and air [J]. China Civil Engineering Journal, 2008, 41(5): 19-25. DOI: 10.15951/j.tmgcxb. 2008.05.009.

[52]CHEN Zhaoqing., WU Yue, SUN Xiaoying. Research on the added mass of open-type one-way tensioned membrane structure in uniform flow[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2015, 137: 69-77. DOI: 10.1016/j. jweia. 2014. 12. 004.

[53]SIMIU E, SCANLAN R H. Wind effects on structures: an introduction to wind engineering[M]. New York: Wiley, 1978, 1-100.

[54]SYGULSKI R. Stability of membrane in low subsonic flow [J]. International Journal of Non-Linear Mechanics, 2007, 42: 196-202.DOI: 10.1016/j. ijnonlinmec. 2006. 11. 012.

[55]李慶祥，孫炳楠. 封閉薄膜屋蓋的風致氣動力失穩(wěn)分析[J]. 振動工程學報, 2006, 19(3): 346-353. DOI：10.16385/ j.cnki.issn.1004-4523.2006.03.011. LI Qingxiang, SUN Bingnan. Wind-induced aerodynamic instability for closed membrane roofs [J]. Journal of Vibration Engineering, 2006, 19(3): 346-353. DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2006.03.011.

[56]李慶祥，孫炳楠. 均勻流場中小曲率薄膜的氣動穩(wěn)定性分析[J]. 工程力學, 2006, 23(4): 39-44. LI Qingxiang, SUN Bingnan. Aerodynamic stability analysis of small curved membrane in uniform flow [J]. Engineering Mechanics, 2006, 23(4): 39-44.

[57]劉瑞霞，楊慶山，李作為. 矩形平面雙曲拋物面薄膜屋蓋的動力失穩(wěn)臨界風速[J]. 工程力學, 2005, 22(5): 105-110. LIU Ruixia, YANG Qingshan, Li Zuowei. Critical wind velocity of hyperbolic parabolic membrane roofs with rectangular plane [J]. Engineering Mechanics, 2005, 22(5): 105-110.

[58]YANG Qingshan, LIU Ruixia. On aerodynamic stability of membrane structures[J]. International Journal of Space Structures, 2005, 20: 181-188.

[59]楊慶山，劉瑞霞. 薄膜結構氣彈動力穩(wěn)定性研究[J]. 工程力學, 2006, 23(9): 18-24. YANG Qingshan, LIU Ruixia. On aerodynamic stability of membrane structures [J]. Engineering Mechanics, 2006, 23(9): 18-24.

[60]MATSUMOTO T. Self-excited oscillation of a pretensioned cable roof with single curvature in smooth flow[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1990, 34(3): 304-318. DOI:10.1016/0167-6105(90)90158-9.

[61]孫曉穎, 陳昭慶, 武岳. 單向張拉膜結構氣彈模型試驗研究[J]. 建筑結構學報, 2013, 34(11): 63-69. DOI：10.14006/j.jzjgxb.2013.11.010 SUN Xiaoying, CHEN Zhaoqing, WU Yue.Aeroelastic experiment of one-way tensioned membrane structure[J]. Journal of Building Structures, 2013, 34(11): 63-69. DOI：10.14006/j.jzjgxb.2013.11.010.

[62]陳昭慶, 武岳, 孫曉穎. 封閉式單向張拉膜結構氣彈失穩(wěn)機理研究[J]. 建筑結構學報, 2015, 36(3):12-19. DOI: 10. 14006/j. jzjgxb.2015.03.002. CHEN Zhaoqing, WU Yue, SUN Xiaoying. Research on the aeroelastic instability of closed-type one-way tensioned membrane [J]. Journal of Building Structures, 2015, 36(3): 12-19. DOI: 10. 14006/j. jzjgxb. 2015. 03. 002.

[63]WU Yue,CHEN Zhaoqing, SUN Xiaoqing. Research on the wind-induced aero-elastic response of closed-type saddle-shaped tensioned membrane models[J]. Journal of Zhejiang University Science. A (Applied Physics & Engineering). 2015, 16(8): 656-668. DOI:10.1631/jzus. A1400340.

[64]莊夢園. 張拉膜結構風振控制研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2016. ZHUANG Mengyuan. Investigation of control of wind-induced vibrations of tensioned membrane structures[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2016.

Advances on wind-induced dynamic disaster of tensioned membrane structures

WU Yue1, CHEN Zhaoqing2, SUN Xiaoying1

(1.Key Lab of Structures Dynamic Behavior and Control (Harbin Institute of Technology), Ministry of Education, Harbin 150090, China; 2.School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, Jilin, China)

To clarify the wind-induced dynamic disaster mechanism of membrane structure, this paper analyzed the research progress of field test, aero-elastic model wind tunnel test and numerical simulation method of Fluid-Structure Interaction (FSI) problems, and discussed the latest research results on the additional aerodynamic force and aero-elastic instability mechanism of membrane structure. It was shown that by the limitation of field test equipment, similar theory of aero-elastic model and FSI simulation method, the research on the observation and simulation of practical membrane structure was still relatively few. As for the aero-elastic instability mechanism of membrane structure, it was believed that the aero-elastic instability of membrane structures was related to the vortices formed near the membrane surface, which was manifested as a significant attenuation of the total damping of the structure. However, the research results were based on the vibration phenomena observation of the simple membrane structure in the approximate uniform flow field, which was quite different from the actual project. The following aspects are suggested for researches: similarity analysis method and error correction technique of similarity theory of aero-elastic model wind tunnel test; key technology of numerical simulation of FSI problem of large-scale membrane structure; research on the aero-elastic instability mechanism of membrane structure that based on various research means including field test, aero-elastic model wind tunnel test, numerical simulation method, analytical theory, and so on; the wind-resistant design method of membrane structure, which is acceptable for designers to consider the FSI effect.

tensioned membrane structures; wind-induced dynamic disaster; fluid-structure interaction; aero-elastic effects

(編輯 趙麗瑩)

2016-06-28

國家自然科學基金重大研究計劃重點項目(91215302)；國家自然科學基金(51578186)

武 岳(1972—)，男，教授，博士生導師

陳昭慶，chenzhq2004@163.com

10.11918/j.issn.0367-6234.201606104

TU311.3

A

0367-6234(2017)06-0001-09