第七章大跨屋盖结构抗风设计 主要讨论大跨屋盖结构风荷载的计算, 包括水平风力和竖向风力的计算等
第七章 大跨屋盖结构抗风设计 主要讨论大跨屋盖结构风荷载的计算， 包括水平风力和竖向风力的计算等
7.1概述 随着现代建筑材料和施工技术的发展,以及人们 对使用空间要求的日益提高,大跨度屋盖结构不断 涌现,并广泛应用于候机厅、体育馆、会展中心 展览馆等公共建筑。大跨度屋盖结构具有质量轻 柔度大、自振频率低、阻尼小等特点,因而风荷载 成为控制屋盖结构设计的主要荷载。而且这类结构 往往比较低矮,在大气边界层中处于风速变化大、 湍流度高的区域,再加上屋顶形状往往不规则,其 绕流和空气动力作用十分复杂,所以这种大跨屋面 结构对风荷载十分敏感,尤其是风的动态响应
7.1 概述 随着现代建筑材料和施工技术的发展，以及人们 对使用空间要求的日益提高，大跨度屋盖结构不断 涌现，并广泛应用于候机厅、体育馆、会展中心、 展览馆等公共建筑。大跨度屋盖结构具有质量轻、 柔度大、自振频率低、阻尼小等特点，因而风荷载 成为控制屋盖结构设计的主要荷载。而且这类结构 往往比较低矮，在大气边界层中处于风速变化大、 湍流度高的区域，再加上屋顶形状往往不规则，其 绕流和空气动力作用十分复杂，所以这种大跨屋面 结构对风荷载十分敏感，尤其是风的动态响应
1989年9月,美国加利福尼亚州遭受Hugo飓风袭击,实地调 查结果表明,49%的建筑物仅有屋面受损,损害的情形各异, 有局部的屋面覆盖物或屋面桁架被吹走或破坏,甚至整个屋 面结构被吹走。从破坏部位来看,大多数屋面风致破坏发生 在屋面转角、边缘和屋脊等部位。河南省体育馆在9级风作 用下,体育中心东罩棚中间位置最髙处铝板和固定槽钢被风 撕裂并吹落,三副30m的大型采光窗被整体吹落,雨棚吊顶 被吹坏。2003年8月2日下午,雷暴雨中突如其来的旋风,居 然把上海大剧院的屋顶掀去了一大块。剧院东侧顶部中间的 大块钢板屋顶被卷起,移动了约20m左右,又砸在剧院顶 部中间的高平台上。屋顶东侧中部已露出了一个约250m2的大 “窟窿”。卷起的这一大块钢板屋顶,被旋风撕裂成两段, 被揉成如同皱褶不堪的纸团,20多名工作人员合力都难以搬 动;3cm宽的避雷钢带,被卷成了麻花形;顶楼平台上直径 达10cm粗的不锈钢防护栏,也有10多米被旋风扭曲
1989年9月，美国加利福尼亚州遭受Hugo飓风袭击，实地调 查结果表明，49％的建筑物仅有屋面受损，损害的情形各异， 有局部的屋面覆盖物或屋面桁架被吹走或破坏，甚至整个屋 面结构被吹走。从破坏部位来看，大多数屋面风致破坏发生 在屋面转角、边缘和屋脊等部位。河南省体育馆在9级风作 用下，体育中心东罩棚中间位置最高处铝板和固定槽钢被风 撕裂并吹落，三副30m 2的大型采光窗被整体吹落，雨棚吊顶 被吹坏。2003年8月2日下午，雷暴雨中突如其来的旋风，居 然把上海大剧院的屋顶掀去了一大块。剧院东侧顶部中间的 一大块钢板屋顶被卷起，移动了约20m左右，又砸在剧院顶 部中间的高平台上。屋顶东侧中部已露出了一个约250m 2的大 “窟窿” 。卷起的这一大块钢板屋顶，被旋风撕裂成两段， 被揉成如同皱褶不堪的纸团，20多名工作人员合力都难以搬 动；3cm宽的避雷钢带，被卷成了麻花形；顶楼平台上直径 达10cm粗的不锈钢防护栏，也有10多米被旋风扭曲
7.2屋盖结构自振周期 随着现代建筑材料和施工技术的发展,以及人们 对使用空间要求的日益提高,大跨度屋盖结构不断 涌现,并广泛应用于候机厅、体育馆、会展中心 展览馆等公共建筑。大跨度屋盖结构具有质量轻 柔度大、自振频率低、阻尼小等特点,因而风荷载 成为控制屋盖结构设计的主要荷载。而且这类结构 往往比较低矮,在大气边界层中处于风速变化大、 湍流度高的区域,再加上屋顶形状往往不规则,其 绕流和空气动力作用十分复杂,所以这种大跨屋面 结构对风荷载十分敏感,尤其是风的动态响应
7.2 屋盖结构自振周期 随着现代建筑材料和施工技术的发展，以及人们 对使用空间要求的日益提高，大跨度屋盖结构不断 涌现，并广泛应用于候机厅、体育馆、会展中心、 展览馆等公共建筑。大跨度屋盖结构具有质量轻、 柔度大、自振频率低、阻尼小等特点，因而风荷载 成为控制屋盖结构设计的主要荷载。而且这类结构 往往比较低矮，在大气边界层中处于风速变化大、 湍流度高的区域，再加上屋顶形状往往不规则，其 绕流和空气动力作用十分复杂，所以这种大跨屋面 结构对风荷载十分敏感，尤其是风的动态响应
解析法 在平面上规则布置的屋盖结构中,只有一些典型结构有准 确解答。在此仅简单介绍矩形弹性薄板的计算。弹性薄板 是厚度比平面尺寸小得多的弹性体。弹性薄板弯曲的 Kirchhof假设是: a.板振动时的挠度比其厚度要小的多,中面(平面与中面 重合)为中性面,中面上无应变。 b.垂直于中面的法线在板弯曲变形后仍然是一根直线,并 垂直于挠曲后的中性面,即忽略剪切变形,称之为直法线 假设。 c.板弯曲变形时,板的厚度变化可忽略不计,即E=0 d.板的惯性主要由平动的质量提供,忽略由于弯曲而产生 的转动惯量
在平面上规则布置的屋盖结构中，只有一些典型结构有准 确解答。在此仅简单介绍矩形弹性薄板的计算。弹性薄板 是厚度比平面尺寸小得多的弹性体。弹性薄板弯曲的 Kirchhoff假设是： a. 板振动时的挠度比其厚度要小的多， 中面（平面与中面 重合）为中性面，中面上无应变。 b. 垂直于中面的法线在板弯曲变形后仍然是一根直线，并 垂直于挠曲后的中性面，即忽略剪切变形，称之为直法线 假设。 c. 板弯曲变形时，板的厚度变化可忽略不计，即 。 d. 板的惯性主要由平动的质量提供，忽略由于弯曲而产生 的转动惯量。 一. 解析法 0 z =
设板厚为五材料密度,m殚弹性模量￡泊松比在 笛卡儿坐标下,等厚度各向同性弹性薄板振动基本方程为 h aw(x,y,t +DVw (x,y,t)=p(x,y, t) p(x,y,)为单位面积上的动力荷载 eh3 12(1-12) 为板的抗弯刚度 =G+2%2+为直角坐标系中的二重 Laplace算子
设板厚为 ，材料密度 ，弹性模量 ，泊松比 。在 笛卡儿坐标下，等厚度各向同性弹性薄板振动基本方程为 h E 2 4 2 ( , , ) ( , , ) ( , , ) w x y t h D w x y t p x y t t + = 为直角坐标系中的二重Laplace算子。 p x y t ( , , )3 2 12(1 ) Eh D = − 4 4 4 4 4 2 2 4 2 w x x y y = + + 为单位面积上的动力荷载； 为板的抗弯刚度；
二.能量法 由于大跨屋盖结构往往比较复杂,用解析法其自振 频率十分困难,只能通过近似方法来分析其振动特性和 动响应。近似方法的理论基础是能量法。能量法以能量 守恒定律为依据,任一时刻总能量为一常数 三.有限元法
二. 能量法 由于大跨屋盖结构往往比较复杂，用解析法其自振 频率十分困难，只能通过近似方法来分析其振动特性和 动响应。近似方法的理论基础是能量法。能量法以能量 守恒定律为依据，任一时刻总能量为一常数。 三. 有限元法
7.3屋盖结构的风振响应 目前,屋盖结构的风荷载研究主要采用风洞 实验、灾后调査、全尺寸实测以及计算机仿真数 值模拟分析等手段。研究内容主要包括屋盖结构 形式的改进、风荷载的影响因素以及计算理论和 屋盖抗风减振措施等
7.3 屋盖结构的风振响应 目前，屋盖结构的风荷载研究主要采用风洞 实验、灾后调查、全尺寸实测以及计算机仿真数 值模拟分析等手段。研究内容主要包括屋盖结构 形式的改进、风荷载的影响因素以及计算理论和 屋盖抗风减振措施等
对于髙层结构风载设计中的风振系数,我国规范采用简便 的近似计算方法,而在大跨度屋盖中由于结构形式的多样性 和分析的复杂性,我国规范在这一方面还是空白,也是当前 风工程的研究热点之一。通常对于大跨度屋盖结构风振响应 分析和风振系数的求解方法有四种 (1)频域法。由通用的风速谱,通常是 Davenport谱基于 准定常假设而推得风压谱、力谱,然后通过动力传递系数得 到结构的动力反应谱,由随即理论可以通过反应谱的积分得 到结构的动力响应。这种方法计算简单、方便。 (2)修正频域法。由于准定常假设在大跨度屋盖结构中不 成立,因此可以采用风洞试验中测得的风压时程通过傅立叶 变换直接转化为风压谱,进而运用谱分析法计算屋盖响应分 析。这种方法计算简单、方便,但是它对测点的布置有一定 的要求且不能计算结构的非线性
对于高层结构风载设计中的风振系数，我国规范采用简便 的近似计算方法，而在大跨度屋盖中由于结构形式的多样性 和分析的复杂性，我国规范在这一方面还是空白，也是当前 风工程的研究热点之一。通常对于大跨度屋盖结构风振响应 分析和风振系数的求解方法有四种。 （1）频域法。由通用的风速谱，通常是Davenport谱基于 准定常假设而推得风压谱、力谱，然后通过动力传递系数得 到结构的动力反应谱，由随即理论可以通过反应谱的积分得 到结构的动力响应。这种方法计算简单、方便。 （2）修正频域法。由于准定常假设在大跨度屋盖结构中不 成立，因此可以采用风洞试验中测得的风压时程通过傅立叶 变换直接转化为风压谱，进而运用谱分析法计算屋盖响应分 析。这种方法计算简单、方便，但是它对测点的布置有一定 的要求且不能计算结构的非线性
(3)时程分析法。即直接运用风洞试验测得的风压 时程作用于屋盖结构而进行风振响应时程分析。首先建 立屋盖结构的有限元模型,然后通过动力计算得到结构 的动力响应,统计结构动力响应从而算得结构的风振系 数。这种方法思路简单,计算复杂而且耗时较多,但精 度高,可靠性好,适用性强,可以计算结构非线性。 (4)模态力法。这种方法的优点是计算简便,缺点 是不能考虑结构的非线性
（3）时程分析法。即直接运用风洞试验测得的风压 时程作用于屋盖结构而进行风振响应时程分析。首先建 立屋盖结构的有限元模型，然后通过动力计算得到结构 的动力响应，统计结构动力响应从而算得结构的风振系 数。这种方法思路简单，计算复杂而且耗时较多，但精 度高，可靠性好，适用性强，可以计算结构非线性。 （4）模态力法。这种方法的优点是计算简便，缺点 是不能考虑结构的非线性