不同风向角对膜结构风致振动响应的影响分析★

张 成 赵一聪 智国梁 董润涛 赵不移 贾 杰

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

随着科学技术的发展，大跨度的柔性结构大量的出现，比如桥梁结构中的斜拉桥、悬索桥，建筑结构中的高耸结构、高层超高层结构、膜结构等[1]。以膜结构为例，本身不具有抗弯性能，其主要通过改变自身形状来抵抗外界荷载，尤其对风荷载十分敏感。风荷载作用下常见的膜结构破坏形式为薄膜撕裂、立柱倾斜倒塌等。膜结构的破坏机理、抗风设计尚未研究透彻，目前的膜结构抗风设计面临的问题就是考虑流固耦合效应对结构振动响应的影响，风荷载作用下，膜结构的位移、速度、加速度响应较大、流固耦合效应会产生较明显的气弹效应和局部动力失稳。基于此，文章对指定膜结构考虑流固耦合效应，展开风向角变化对膜结构流固耦合效应的数值分析，结果对理论分析和工程实践具有一定的指导作用[2]。

1 柔性边界膜结构数值模拟

1)有限元模型[3]见图1。

2)采样点分布模型见图2。

2 流固耦合效应分析

不考虑风速、膜结构尺寸等因素，保持为一定值，只将风向角作为流固耦合效应的影响因素。取标准参考高度处的平均风速为v=30 m/s，风向角为α=0°～90°，每次增加22.5°。

2.1 位移谱卓越频率变化的分析

由图3可知，输入风荷载为v=30 m/s，风向角从0°到45°增大，结构振动频率从13 Hz到25 Hz变化，风向角从45°到90°增大，结构振动频率从25 Hz到15 Hz变化。当风向角为45°时，频率达到峰值。

2.2 节点位移峰值变化的分析

节点位移峰值变化的分析，见图4。

2.3 节点应力峰值变化的分析

节点应力峰值变化的分析,见图5。

图4，图5说明风向角在0°～90°范围内变化时，一部分膜结构呈现出“位移幅值—风向角”的正弦曲线变化，两翼部位幅值是逐渐增大；整体膜结构呈现出“应力—风向角”的近似正弦曲线变化规律。

2.4 节点位移范围、应力范围变化分析

节点位移范围、应力范围变化分析,见图6，图7。

由图6，图7可以看出随着风向角的增大，柔性边界膜结构整体的位移、应力振动范围都很大，说明结构对风向角的改变有很大的敏感性。

3 结语

风向角的不同，对膜结构的流固耦合效应影响也不同，由数值模拟结果可以得到振动响应最大的风向角为0°，属于最不利工况。卓越频率随风向角从0°到90°逐渐递增，呈现出先增大再减小的变化规律，卓越频率达到峰值的风向角为45°，且结构各部分的位移、应力范围变化很大。柔性边界膜结构各部分的应力变化幅值与风向角也成近似正弦波形变化。