不同風向角對膜結構風致振動響應的影響分析★

張 成 趙一聰 智國梁 董潤濤 趙不移 賈 杰

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著科學技術的發展，大跨度的柔性結構大量的出現，比如橋梁結構中的斜拉橋、懸索橋，建筑結構中的高聳結構、高層超高層結構、膜結構等[1]。以膜結構為例，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，尤其對風荷載十分敏感。風荷載作用下常見的膜結構破壞形式為薄膜撕裂、立柱傾斜倒塌等。膜結構的破壞機理、抗風設計尚未研究透徹，目前的膜結構抗風設計面臨的問題就是考慮流固耦合效應對結構振動響應的影響，風荷載作用下，膜結構的位移、速度、加速度響應較大、流固耦合效應會產生較明顯的氣彈效應和局部動力失穩。基于此，文章對指定膜結構考慮流固耦合效應，展開風向角變化對膜結構流固耦合效應的數值分析，結果對理論分析和工程實踐具有一定的指導作用[2]。

1 柔性邊界膜結構數值模擬

1)有限元模型[3]見圖1。

2)采樣點分布模型見圖2。

2 流固耦合效應分析

不考慮風速、膜結構尺寸等因素，保持為一定值，只將風向角作為流固耦合效應的影響因素。取標準參考高度處的平均風速為v=30 m/s，風向角為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，輸入風荷載為v=30 m/s，風向角從0°到45°增大，結構振動頻率從13 Hz到25 Hz變化，風向角從45°到90°增大，結構振動頻率從25 Hz到15 Hz變化。當風向角為45°時，頻率達到峰值。

2.2 節點位移峰值變化的分析

節點位移峰值變化的分析，見圖4。

2.3 節點應力峰值變化的分析

節點應力峰值變化的分析,見圖5。

圖4，圖5說明風向角在0°～90°范圍內變化時，一部分膜結構呈現出“位移幅值—風向角”的正弦曲線變化，兩翼部位幅值是逐漸增大；整體膜結構呈現出“應力—風向角”的近似正弦曲線變化規律。

2.4 節點位移范圍、應力范圍變化分析

節點位移范圍、應力范圍變化分析,見圖6，圖7。

由圖6，圖7可以看出隨著風向角的增大，柔性邊界膜結構整體的位移、應力振動范圍都很大，說明結構對風向角的改變有很大的敏感性。

3 結語

風向角的不同，對膜結構的流固耦合效應影響也不同，由數值模擬結果可以得到振動響應最大的風向角為0°，屬于最不利工況。卓越頻率隨風向角從0°到90°逐漸遞增，呈現出先增大再減小的變化規律，卓越頻率達到峰值的風向角為45°，且結構各部分的位移、應力范圍變化很大。柔性邊界膜結構各部分的應力變化幅值與風向角也成近似正弦波形變化。