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单层门式刚架轻钢厂房结构竖向风振响应研究

作　者: 黄敏
导　师: 梁德志
学　校: 沈阳建筑大学
专　业: 建筑与土木工程
关键词: 门式刚架结构功率谱密度竖向风振频域分析脉动风荷载
分类号: TU392.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来，随着我国现代科学技术的快速发展，国内钢材产量大幅增加，钢材品种质量也逐步提升，再加上国家政策的大力支持及倡导，门式刚架轻钢结构建筑得到了快速的发展，并广泛应用于工业厂房、商业性建筑、交通设施等工业民用建筑中，然而，由于受全球气候变化的影响，门式刚架轻钢结构建筑的竖向风振影响越来越突出，屋面压型钢板被撕裂，檩条发生扭曲，门式刚架整体结构被掀翻等工程事故频频发生。门式刚架轻钢结构具有自重轻，刚度小，自振频率低，阻尼小等特点，对风荷载十分敏感，因而风荷载就成为设计此类结构的主要控制荷载之一。但是，我国目前现行的《建筑结构荷载规范》与《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》都没有明确规定门式刚架结构的竖向风振系数，在设计门式刚架结构时，是否应该考虑竖向风振对门式刚架结构的影响以及其对结构的安全影响程度到底有多大存在着不同的看法和意见。本文重点采用PKPM设计软件设计出12米~36米五种不同跨度的门式刚架结构实体模型，然后利用ANSYS有限元模拟软件对它们进行模态分析，得到了结构的自振频率和振型，并选取屋盖檩条和钢梁的交接处作为研究节点，在频域内对它们进行了竖向风振响应分析，讨论了不同参振振型、不同屋盖跨度、不同阻尼比、竖向脉动风速谱和不同支座约束等可变参数对门式刚架结构竖向风振响应和竖向位移风振系数的影响。同时本文还以某一工程实例为背景，通过考虑以上可变参数的综合作用，对其进行了频域内的竖向位移风振分析，计算出了该实例结构的竖向位移风振系数。本文通过对门式刚架结构在不同参数下的分析和研究，得出了一些重要结论：门式刚架结构的自振频率非常接近风的频率，并且随着跨度的增大而减小，跨度越小，各阶频率变化越大，反之越小；在分析门式刚架结构竖向风振响应时，前二阶振型贡献最大，考虑前二阶振型的叠加作用能够满足计算精度的要求。改变屋盖跨度对门式刚架结构的竖向风振响应和竖向位移风振系数有较大影响。随着跨度的增加，节点竖向位移风振系数的增幅也逐渐越大，平均增幅范围在5.242%~21.897%之间；采取增大阻尼比和柱脚采用刚接的方法都能够有效的减小门式刚架结构的竖向风振响应，改变支座约束对门式刚架结构的竖向位移风振系数影响不大。在对门式刚架结构进行竖向风振响应研究时，不能只考虑水平脉动风速谱的作用而忽略了竖向脉动风速谱的影响，而应该综合考虑水平脉动风速谱和竖向脉动风速谱的叠加对结构的影响；根据实际工程的分析结果，得出结论：竖向风振对门式刚架结构厂房的作用不容忽视，设计人员在进行结构设计时，必须考虑竖向风振系数。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目次  7-10
Contents  10-13
第一章绪论  13-23
  1.1 课题研究的背景  13-15
    1.1.1 门式刚架结构的概念及其分类  13-14
    1.1.2 国内外门式刚架结构发展状况  14-15
  1.2 课题研究的目的和意义  15-17
    1.2.1 门式刚架结构的风灾破坏情况  15-16
    1.2.2 研究课题提出的现实理论意义  16-17
  1.3 国内外相关课题的研究现状  17-21
    1.3.1 风洞试验研究  17-18
    1.3.2 现场实测研究  18-19
    1.3.3 数值模拟研究  19-21
  1.4 课题的研究方法和主要内容  21-23
    1.4.1 课题研究方法  21-22
    1.4.2 课题研究内容  22-23
第二章风荷载的特性  23-35
  2.1 自然风的基本性质  23-24
    2.1.1 风的形成及分类  23
    2.1.2 风的基本性质  23-24
  2.2 平均风荷载的特性  24-26
    2.2.1 水平风荷载  24-26
    2.2.2 竖向风荷载  26
  2.3 脉动风荷载的特性  26-34
    2.3.1 水平脉动风速风压谱  27-31
    2.3.2 竖向脉动风速风压谱  31
    2.3.3 脉动风的空间相关性  31-34
  2.4 本章小结  34-35
第三章风致振动频域分析理论  35-51
  3.1 随机变量及统计特性  35-38
    3.1.1 概率密度分布函数  35-36
    3.1.2 随机变量统计特性  36-37
    3.1.3 随机变量特征函数  37-38
  3.2 随机振动基本理论  38-45
    3.2.1 随机过程基本概念  38-39
    3.2.2 随机过程统计性质  39-40
    3.2.3 平稳随机过程  40-41
    3.2.4 各态历经过程  41-42
    3.2.5 相关函数  42-43
    3.2.6 功率谱密度  43-45
  3.3 门式刚架结构频域分析法  45-50
    3.3.1 基本假定  45-46
    3.3.2 风振理论公式  46-49
    3.3.3 位移风振系数  49-50
  3.4 本章小结  50-51
第四章门式刚架结构竖向风振响应研究  51-71
  4.1 有限元分析模型  51-53
    4.1.1 模型的几何参数  51-52
    4.1.2 建立有限元模型  52-53
  4.2 自振动特性分析  53-58
    4.2.1 模态提取分析法  53
    4.2.2 自振频率及振型  53-56
    4.2.3 参振振型的选取  56-58
  4.3 不同屋盖跨度的影响  58-61
    4.3.1 竖向位移风振响应  58-60
    4.3.2 竖向位移风振系数  60-61
  4.4 不同阻尼比的影响  61-64
    4.4.1 竖向位移风振响应  61-63
    4.4.2 竖向位移风振系数  63-64
  4.5 竖向脉动风速谱的影响  64-67
    4.5.1 竖向位移风振响应  64-66
    4.5.2 竖向位移风振系数  66-67
  4.6 不同支座约束的影响  67-70
    4.6.1 竖向位移风振响应  67-69
    4.6.2 竖向位移风振系数  69-70
  4.7 本章小结  70-71
第五章某单层工业厂房实例分析  71-77
  5.1 工程概况  71
  5.2 建立模型  71-72
  5.3 模态分析  72-73
  5.4 PSD 分析  73-74
  5.5 分析结果  74-76
  5.7 本章小结  76-77
第六章结论  77-79
  6.1 结论  77-78
  6.2 展望  78-79
参考文献  79-83
作者简介  83
作者在攻读硕士学位期间获得的奖励与学术成果  83-85
致谢  85-86

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