浅谈弦支穹顶结构的风振响应分析

甘发达

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳621010)

1 弦支穹顶结构简介

弦支穹顶结构是1993年由日本法政大学川口卫等教授将张拉整体、索穹顶等柔性结构和单层网壳相结合而形成的一种新型杂交空间结构体系[1]。这种结构形式综合了索穹项和网壳结构的优点，同时弥补了它们各自的不足之处。

典型的弦支穹顶结构如图1和图2所示。它的顶面采用单层网壳，然后通过下部的多个弦支层而组成的一种结构形式。一个弦支层包括同一纬线圈上的一组撑杆及与之相联系的径向索和环向索。弦支穹顶结构作为一种刚柔相济的新型复合结构体系，完美地融合了单层网壳和索穹顶结构的优点，一方面在单层网壳结构的下部引入张拉整体部分，改善了单层网壳的稳定性，另一方面由于使用单层网壳结构代替了索穹顶的上部索系，大大降低了结构的设计分析难度和施工难度，因此弦支穹顶自1993年提出以来，已在国内外几十余项大型工程中得到了应用，初步显示了它的应用前景。

图1 弦支穹顶结构的构成

图2 弦支穹顶结构体系

2 风振响应分析的必要性

风荷载是各类建(构)筑物重要设计荷载之一。大跨度空间结构自重较轻、柔性大、阻尼小、自振频率较低，对风荷载比较敏感。而且，随着跨度增加和各类轻质材料的采用，风敏感性不断增强，风荷载成为大跨空间结构设计的控制荷载。复杂的动力风效应是结构设计的控制因素之一。

对于弦支穹顶结构，其静动力特性及稳定性分析已取得了长足发展[2-3]，但研究弦支穹顶结构在风荷载作用下的受力特性的相关文献到目前仍然较少，我国现有设计规范对此类结构的风荷载设计也没有明确的规定。因此提出一种实用且科学的弦支穹顶结构风振响应分析方法也成了亟待解决的课题。

3 弦支穹顶结构的风振响应分析研究现状

3.1 国外研究现状

国外已有不少学者对大跨空间结构的风振问题展开了研究，获得了很多启发性的理论和成果[4-5]。Uematsu Yasushi和Hoover等研究了平板网架结构风振响应，并且在风洞模型试验结果基础上，比较系统研究了单层网壳穹顶、大跨扁屋盖结构的风致动力响应，通过参数分析提出一些经验公式；YasuiH采用蒙特卡罗方法模拟多点脉动风压时程，然后在时域内进行大跨空间结构的风振响应分析；Mario Di Paola研究了多结点的风速时程的计算机模拟和能量谱密度矩阵的分解。

3.2 国内研究现状

在我国，李娜[4]首先采用结合傅立叶变换的谐波叠加法自编程序，人工模拟风速时程。以K8与联方型的组合型弦支穹顶结构为例，进行风振特性参数影响分析，观察风振系数随几何参数变化的规律。最后采用在运动方程中引入气动阻尼的方法，分析了在风与结构的耦合作用下弦支穹顶结构的风振系数。

李娜、韩庆华[6]以天津保税区商务中心大堂屋盖弦支穹顶结构为例，通过时程分析方法模拟风速时程曲线，并转化为风压作用于该弦支穹顶结构上。通过时程分析，得到其节点位移风振系数，建立了不同参数条件下的弦支穹顶结构模型，进行参数影响分析，得出在上述各种参数条件下节点位移风振系数的变化规律，矢跨比和跨度对弦支穹顶结构的节点位移风振系数影响较大。

张翠翠[5]根据自回归AR法的基本原理结合MATLAB及VC++进行混合编程，自行编制了具有空间相关性的多点风速时程曲线，对风速时程离散值作数理统计分析，将得到的模拟功率谱与目标功率谱相比较，证明了所编程序的正确性。以奥运羽毛球馆为例，对其屋盖进行风速模拟，利用有限元分析软件对其进行风振响应分析。得到了其在水平及竖向风速作用下的位移响应及应力响应，从而分析出在风振作用下结构体系的最薄弱位置。

谷昊[7]对弦支穹顶结构的风振特性展开深入的研究，在其基本参数的常用变化范围内，进行系统的实际结构计算，对所得数值结果进行分析和归纳得出以下结论：(1)弦支穹顶结构为频谱密集型结构，频率分布图中出现跳跃现象；(2)弦支穹顶结构的风振以低频部分为主，表现为受迫振动；(3)针对弦支穹顶结构的风振特性提出了改进措施，并初步形成了一套较完整的弦支穹顶结构抗风设计思路；(4)在大规模参数分析的基础上，对弦支穹顶结构的风振响应分析结果进行分析、回归，给出了整体风振系数的建议值。

范峰[8]等利用随机模拟风振分析方法对凯威特型弦支穹顶结构的风振响应特性进行了系统的参数分析。分析了矢跨比、撑杆高度、屋面荷载、拉索初始预应力、跨度等参数在常用范围内变化对结构风振响应的影响。针对现行规范应用于弦支穹顶结构抗风设计时存在的问题，提出了一种针对整个结构的整体风振系数及其表达式。并得出结论：矢跨比、拉索预应力和跨度对弦支穹顶结构风振响应的影响比较显著，而屋面荷载和撑杆高度的影响较小。

魏德敏[9]等在考虑了风向角和水平脉动风速谱对结构响应计算结果影响的前提下，采用完全二次型组合法(CQC法)对实际大跨弦支穹顶屋盖结构进行了风振响应的频域分析，结果表明：结构不同区域的最敏感风向角不同，结构中心部位对45°风向角最为敏感,除中心和悬挑部位以外的其他部位对0°风向角最为敏感；所有区域对90°风向角最不敏感；结构的内力风振系数总体上较位移风振系数分布均匀；参振模态数对该实际结构响应计算结果的影响较为明显。

4 弦支穹顶结构工程实例统计[10-11]

弦支穹顶结构工程实例统计见表1。

表1 弦支穹顶结构工程实例

续表

5 展望

对于弦支穹顶结构，目前仍有一些工作没有涉及到或者没有深入研究，有些问题还有待进一步探讨：

(1)将频域方法和时域方法结合起来。时域和频域都是研究结构风振响应的可行方法。为更好地开展风振响应研究工作，应采用时-频联合分析的研究方法。用频域分析所反映的风振机理对时域分析进行修正，可能是今后研究的一个方向。

(2)发展更为完善的风速模拟方法。目前脉动风荷载模拟的各种方法中，将风荷载视为平稳高斯随机过程的方法应用较多。今后模拟风速时程可以采用模拟非平稳高斯随机过程及非高斯随机过程的方法。

(3)发展更为系统完善的大跨度空间结构风振方法。目前提出风振响应分析方法都有一定的问题，因此探索更为准确的风振计算方法仍是需要我们继续深入研究的课题。

(4)发展适合弦支穹顶结构风振系数计算的拟和公式。在以后的研究中应对更多的弦支穹顶结构参数进行风振分析，通过科学的回归分析，总结出弦支穹顶结构风振系数与各个基本参数之间的拟合公式。

[1] 尹越，韩庆华，谢礼立，等.一种新型杂交空间网格结构——弦支穹顶[J]．工程力学，2001(增刊)：772-776

[2] 康文江．弦支穹顶的静力和动力分析[D]．天津大学，2003

[3] 李阳．弦支穹顶结构稳定性分析与静力试验研究[D]．天津大学，2004

[4] 李娜.弦支穹顶结构的风振响应分析[D].天津大学，2006

[5] 张翠翠.2008奥运羽毛球馆新型弦支穹顶结构风振响应及风振系数研究[D].北京工业大学，2008

[6] 李娜,韩庆华.弦支穹顶结构风振响应参数分析[J].四川建筑科学研究，2008(1):25-29

[7] 谷昊.弦支穹顶结构风振响应分析[D].哈尔滨工业大学,2008

[8] 范峰，谷昊，沈世钊.凯威特型弦支穹顶结构风振响应分析[C]//庆祝刘锡良教授八十华诞暨第八届全国现代结构工程学术研讨会论文集，2008:490-495

[9] 魏德敏,刘亚庆.弦支穹顶结构的风振响应分析[J].华南理工大学学报：自然科学版，2012，40(10):90-95

[10] 陈志华.弦支穹顶结构研究进展与工程实践[J].建筑钢结构进展，2011(5):11-20

[11] 陈志华.弦支穹顶结构[M].北京：科学出版社，2010:11-16