張 成 趙一聰 智國梁 董潤濤 趙不移 賈 杰

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大跨度的柔性結(jié)構(gòu)大量的出現(xiàn)，比如橋梁結(jié)構(gòu)中的斜拉橋、懸索橋，建筑結(jié)構(gòu)中的高聳結(jié)構(gòu)、高層超高層結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等[1]。以膜結(jié)構(gòu)為例，本身不具有抗彎性能，其主要通過改變自身形狀來抵抗外界荷載，尤其對風(fēng)荷載十分敏感。風(fēng)荷載作用下常見的膜結(jié)構(gòu)破壞形式為薄膜撕裂、立柱傾斜倒塌等。膜結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理、抗風(fēng)設(shè)計(jì)尚未研究透徹，目前的膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)面臨的問題就是考慮流固耦合效應(yīng)對結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的影響，風(fēng)荷載作用下，膜結(jié)構(gòu)的位移、速度、加速度響應(yīng)較大、流固耦合效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生較明顯的氣彈效應(yīng)和局部動(dòng)力失穩(wěn)。基于此，文章對指定膜結(jié)構(gòu)考慮流固耦合效應(yīng)，展開風(fēng)向角變化對膜結(jié)構(gòu)流固耦合效應(yīng)的數(shù)值分析，結(jié)果對理論分析和工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)作用[2]。

1 柔性邊界膜結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

1)有限元模型[3]見圖1。

2)采樣點(diǎn)分布模型見圖2。

2 流固耦合效應(yīng)分析

不考慮風(fēng)速、膜結(jié)構(gòu)尺寸等因素，保持為一定值，只將風(fēng)向角作為流固耦合效應(yīng)的影響因素。取標(biāo)準(zhǔn)參考高度處的平均風(fēng)速為v=30 m/s，風(fēng)向角為α=0°～90°，每次增加22.5°。

2.1 位移譜卓越頻率變化的分析

由圖3可知，輸入風(fēng)荷載為v=30 m/s，風(fēng)向角從0°到45°增大，結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率從13 Hz到25 Hz變化，風(fēng)向角從45°到90°增大，結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率從25 Hz到15 Hz變化。當(dāng)風(fēng)向角為45°時(shí)，頻率達(dá)到峰值。

2.2 節(jié)點(diǎn)位移峰值變化的分析

節(jié)點(diǎn)位移峰值變化的分析，見圖4。

2.3 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力峰值變化的分析

節(jié)點(diǎn)應(yīng)力峰值變化的分析,見圖5。

圖4，圖5說明風(fēng)向角在0°～90°范圍內(nèi)變化時(shí)，一部分膜結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出“位移幅值—風(fēng)向角”的正弦曲線變化，兩翼部位幅值是逐漸增大；整體膜結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出“應(yīng)力—風(fēng)向角”的近似正弦曲線變化規(guī)律。

2.4 節(jié)點(diǎn)位移范圍、應(yīng)力范圍變化分析

節(jié)點(diǎn)位移范圍、應(yīng)力范圍變化分析,見圖6，圖7。

由圖6，圖7可以看出隨著風(fēng)向角的增大，柔性邊界膜結(jié)構(gòu)整體的位移、應(yīng)力振動(dòng)范圍都很大，說明結(jié)構(gòu)對風(fēng)向角的改變有很大的敏感性。

3 結(jié)語

風(fēng)向角的不同，對膜結(jié)構(gòu)的流固耦合效應(yīng)影響也不同，由數(shù)值模擬結(jié)果可以得到振動(dòng)響應(yīng)最大的風(fēng)向角為0°，屬于最不利工況。卓越頻率隨風(fēng)向角從0°到90°逐漸遞增，呈現(xiàn)出先增大再減小的變化規(guī)律，卓越頻率達(dá)到峰值的風(fēng)向角為45°，且結(jié)構(gòu)各部分的位移、應(yīng)力范圍變化很大。柔性邊界膜結(jié)構(gòu)各部分的應(yīng)力變化幅值與風(fēng)向角也成近似正弦波形變化。