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高耸结构风振响应和风振疲劳研究

作　者: 王世村
导　师: 孙炳楠
学　校: 浙江大学
专　业: 结构工程
关键词: 高耸结构 气动弹性模型 风洞试验 等效静力风荷载 阵风因子 荷载组合 风振系数 累积损伤 雨流法 等效应力法 等效窄带法 裂纹扩展速率 零记忆非线性变换 疲劳寿命
分类号: TU312.1
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


高耸结构是一种特殊的结构形式,具有高度高、重量轻、刚度小、外形细长等特点,广泛应用于电力、通讯、广播电视等领域。高耸结构的外形特征决定了风荷载是其控制荷载,随着需求的提高和技术的进步,高耸结构日益向着更高、更轻、更柔的方向发展,使得对风荷载的敏感性进一步增强。 为了研究高耸结构在强风作用下的振动特性,本文对一自立式单杆输电塔进行了风洞试验研究。根据相似原理设计制作了气弹模型,在均匀流场中测定了模型的气动力系数,在风洞中模拟了大气边界层流场,在紊流流场中测定了模型振动响应,并将试验结果换算到实物,作为设计和计算的依据。 采用谐波叠加法模拟了脉动风速时程样本,在时域内计算了结构的顺风向动力响应。在频域内分别采用阵风因子法和荷载组合法计算了顺风向等效静力风荷载,并与我国规范规定的风振系数法进行了比较。考虑了风与结构耦合作用的影响,计算了结构的气动阻尼力。用随机振动方法计算了结构的横风向响应。将计算结果和风洞试验结果进行了比较和分析。 用基于疲劳累积损伤理论的S-N曲线法分析了高耸结构的风振疲劳问题。在时域内用雨流法统计了应力时程的幅值分布。在频域内分别用等效应力法和等效窄带法计算了累积损伤。在等效窄带法的基础上,通过将响应的背景分量和共振分量分开考虑,提出了一种新的改进算法,避免了计算应力谱的复杂计算。通过对计算结果的比较,证明了该方法的可行性。 研究了将疲劳裂纹扩展理论应用于风振疲劳问题。考虑平均风速的分布的影响,建立了随机荷载作用下的疲劳裂纹扩展模型。用零记忆非线性变换法模拟了满足Weibull分布和一定相关性的平均风速时间样本,计算了结构主裂纹扩展的时间样本,根据Monte-Carlo方法得出了给定时间的裂纹尺寸分布。推导了二次矩近似法的计算公式,用对数正态模型模拟了裂纹尺寸和到达时间的分布。计算了给定时间的破坏概率。分析了影响裂纹扩展的几个主要因素。

全文目录


第一章 绪论  11-23
  1．1 近地风的特性  11-13
    1．1．1 平均风的描述  11-12
    1．1．2 脉动风的描述  12-13
  1．2 风对结构的作用  13-14
  1．3 高耸结构的分类和发展  14-16
    1．3．1 高耸结构的分类  14
    1．3．2 高耸结构的发展  14-16
  1．4 高耸结构风振响应研究现状  16-17
  1．5 高耸结构风振疲劳研究现状  17-18
  1．6 本文的主要工作  18-19
  参考文献  19-23
第二章 气动弹性模型风洞试验研究  23-40
  2．1 结构参数和动力特性计算  24-26
    2．1．1 结构参数  24-25
    2．1．2 结构动力特性计算  25-26
  2．2 气弹模型的设计和制作  26-30
    2．2．1 相似准则与模拟问题  26-28
    2．2．2 模型的设计与模态试验  28-30
    2．2．3 模型的制作  30
  2．3 风洞流场的模拟  30-32
    2．3．1 风场模拟  30-31
    2．3．2 风场特性测试  31-32
  2．4 天平测力试验  32-34
    2．4．1 测试原理和测试设备  32-33
    2．4．2 气动力系数测试结果  33-34
  2．5 测振试验  34-38
    2．5．1 测量与分析仪器  34
    2．5．2 试验工况和试验步骤  34-35
    2．5．3 振动响应测试结果  35-38
  2．6 本章结论  38
  参考文献  38-40
第三章 高耸结构风振响应计算  40-77
  3．1 顺风向风荷载  40-41
  3．2 时域内计算顺风向风振响应  41-44
    3．2．1 脉动风速时程的模拟  42-43
    3．2．2 Newmark法求解结构动力响应  43-44
  3．3 频域内计算顺风向响应  44-57
    3．3．1 频域法基本原理  44-46
    3．3．2 等效静力风荷载法  46-57
      3．3．2．1 响应的背景分量和共振分量  47-50
      3．3．2．2 阵风因子法(GF)  50-51
      3．3．2．3 荷载组合法(LC)  51-54
      3．3．2．4 风振系数法  54-56
      3．3．2．5 各种等效风荷载分布的比较  56-57
  3．4 风和结构的耦合作用  57-58
  3．5 横风向响应计算  58-60
    3．5．1 雷诺数和绕圆柱体二维流动  58
    3．5．2 涡致共振和锁定现象  58-59
    3．5．3 涡致随机振动  59-60
  3．6 结构风振可靠性分析  60-62
    3．6．1 可靠度的基本概念  60-61
    3．6．2 穿越分析  61-62
  3．7 计算实例  62-74
    3．7．1 时域法计算结果  63-64
    3．7．2 频域法计算结果  64-70
    3．7．3 考虑耦合作用的计算结果  70-71
    3．7．4 横风向响应计算结果  71
    3．7．5 和风洞试验结果的比较  71-72
    3．7．6 风振可靠性计算结果  72-74
  3．8 本章结论  74
  参考文献  74-77
第四章 高耸结构风振疲劳的累积损伤分析  77-102
  4．1 疲劳问题的基本概念  77-80
    4．1．1 疲劳的定义  77-78
    4．1．2 疲劳破坏的过程  78
    4．1．3 疲劳破坏和静力破坏的区别  78
    4．1．4 疲劳极限与疲劳寿命  78-79
    4．1．5 疲劳曲线  79-80
  4．2 疲劳设计方法  80
    4．2．1 总寿命法  80
    4．2．2 损伤容限法  80
  4．3 疲劳累积损伤理论  80-81
  4．4 时域内计算疲劳累积损伤  81-83
    4．4．1 雨流法的原理  82-83
    4．4．2 雨流法的计数模型  83
  4．5 频域内计算疲劳累积损伤  83-87
    4．5．1 等效应力法  84-85
    4．5．2 等效窄带法  85-86
    4．5．3 改进等效窄带法  86-87
    4．5．4 累积疲劳损伤的上下限  87
  4．6 疲劳寿命的估算  87-91
    4．6．1 平均风速的分布  88-89
    4．6．2 风向角的分布  89
    4．6．3 疲劳累积损伤的闭合公式  89-90
    4．6．4 横风向振动的影响  90-91
  4．7 结构风振疲劳可靠性分析  91-95
  4．8 计算实例  95-98
    4．8．1 疲劳累积损伤计算结果  95-97
    4．8．2 疲劳寿命估算  97
    4．8．3 疲劳可靠性计算结果  97-98
  4．9 本章结论  98-99
  参考文献  99-102
第五章 高耸结构风振疲劳的裂纹扩展分析  102-128
  5．1 疲劳裂纹扩展理论  102-105
    5．1．1 断裂力学和应力强度因子  102-103
    5．1．2 裂纹增长速率和裂纹增长曲线  103-104
    5．1．3 确定性裂纹增长模型的疲劳寿命计算  104-105
  5．2 疲劳问题的随机性  105-106
  5．3 随机裂纹扩展模型  106-110
    5．3．1 Monte-Carlo模拟法  108-109
    5．3．2 二次矩近似法  109-110
    5．3．3 分布近似  110
  5．4 平均风速分布的考虑  110-117
    5．4．1 平均风速的时间相关性  110-112
    5．4．2 模拟非高斯过程的ZMNL方法  112-114
    5．4．3 模拟Weibull分布随机过程的具体实现  114-115
    5．4．4 滤波器设计  115
    5．4．5 考虑平均风速影响的二次矩近似法  115-117
  5．5 破坏概率  117-118
  5．6 计算实例  118-124
    5．6．1 恒幅荷载作用下的裂纹扩展计算结果  118-119
    5．6．2 考虑平均风速分布的计算结果  119-122
    5．6．3 对应于不同使用期限的破坏概率  122
    5．6．4 影响裂纹扩展的因素  122-124
  5．7 本章结论  124-125
  参考文献  125-128
第六章 总结和展望  128-130
  6．1 本文工作的总结  128-129
  6．2 进一步工作的展望  129-130
致谢  130

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑结构 > 结构理论、计算 > 结构荷载与结构承载力 > 结构荷载分析
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