1、體育場(chǎng)環(huán)狀懸挑屋蓋是大跨懸挑屋蓋的一種復(fù)雜類型，既具有一般大型體育場(chǎng)懸挑屋蓋跨度大、結(jié)構(gòu)柔等風(fēng)敏感的特點(diǎn)，又具有風(fēng)荷載及風(fēng)環(huán)境復(fù)雜的特征，復(fù)雜的風(fēng)荷載分布及由此引起的風(fēng)致振動(dòng)往往是控制結(jié)構(gòu)安全性能的主要因素。在過(guò)去的研究中，研究人員主要側(cè)重于簡(jiǎn)單的體育場(chǎng)懸挑屋蓋模型，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)矩形或弧形的單側(cè)或雙側(cè)懸挑屋蓋進(jìn)行風(fēng)荷載機(jī)理分析，總結(jié)風(fēng)荷載分布規(guī)律，從荷載規(guī)范或建議的角度解決體育場(chǎng)懸挑屋蓋設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載取值問(wèn)題。由于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜多變，有關(guān)方法

2、在體育場(chǎng)環(huán)狀懸挑屋蓋的設(shè)計(jì)中難以應(yīng)用。本文采用先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算技術(shù)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，深入研究了體育場(chǎng)環(huán)狀懸挑屋蓋風(fēng)荷載的數(shù)值模擬方法及風(fēng)振響應(yīng)特性，提出了一種分析復(fù)雜大跨屋蓋結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力荷載的高效方法，為大懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 本文首先針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和模型的特點(diǎn)改進(jìn)數(shù)值模擬方法，通過(guò)優(yōu)化離散格式和改進(jìn)湍流模型提高平均風(fēng)荷載的模擬精度，并對(duì)多個(gè)實(shí)際的體育場(chǎng)環(huán)狀懸挑屋蓋上的平均風(fēng)荷載進(jìn)行了模擬和分析；在細(xì)致討論了大渦模擬方法模擬脈

3、動(dòng)風(fēng)荷載的性能之后，結(jié)合改進(jìn)的準(zhǔn)定常理論提出脈動(dòng)荷載模擬的簡(jiǎn)化方法，并對(duì)各種體形的體育場(chǎng)環(huán)狀懸挑屋蓋脈動(dòng)風(fēng)荷載的譜密度特性進(jìn)行了歸納總結(jié)；最后采用本文提出的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的完全背景與共振分量法對(duì)復(fù)雜屋蓋結(jié)構(gòu)的整體風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行高效精確計(jì)算，詳細(xì)分析了體育場(chǎng)環(huán)狀懸挑屋蓋風(fēng)振響應(yīng)的特性。 本文的主要工作有以下幾個(gè)方面： 1．比較深一步地研究了復(fù)雜大跨屋蓋結(jié)構(gòu)平均風(fēng)壓數(shù)值模擬方法。首先簡(jiǎn)述計(jì)算風(fēng)工程的理論，然后針對(duì)復(fù)雜大跨屋蓋結(jié)構(gòu)

4、平均風(fēng)壓模擬的難點(diǎn)，從比較關(guān)鍵的計(jì)算收斂性和湍流模擬精度方面入手，采用人工粘性方法來(lái)穩(wěn)定數(shù)值計(jì)算，同時(shí)結(jié)合實(shí)測(cè)風(fēng)壓數(shù)據(jù)提出改進(jìn)的湍流物理模型，以提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈍體邊緣分離區(qū)的數(shù)值模擬精度。這些工作都是在CFX5軟件平臺(tái)上自編程序?qū)崿F(xiàn)的。最后對(duì)一個(gè)實(shí)際的體育場(chǎng)環(huán)狀懸挑屋蓋平均風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值模擬，將改進(jìn)方法與原有數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證改進(jìn)的方法在計(jì)算風(fēng)工程中的有效性。 2．給出穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬的具體建議和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并分析比較不同環(huán)狀懸挑

5、屋蓋上平均風(fēng)荷載的特性。先從湍流模型、計(jì)算域的定義、湍流入口條件、網(wǎng)格分布形式、迎風(fēng)格式離散階數(shù)、收斂標(biāo)準(zhǔn)各個(gè)方面給出具體建議，再給出數(shù)值模擬結(jié)果可靠性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，使數(shù)值模擬盡量標(biāo)準(zhǔn)化，減少?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)上穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬的誤差因素；隨后重點(diǎn)對(duì)三個(gè)不同類型環(huán)狀體育場(chǎng)懸挑屋蓋平均風(fēng)壓進(jìn)行預(yù)測(cè)，將數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)比較，結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果，分析環(huán)狀懸挑屋蓋上平均風(fēng)荷載的特性。 3．嘗試進(jìn)行了體育場(chǎng)懸挑屋蓋上脈動(dòng)風(fēng)荷載的數(shù)值模擬，并分析了環(huán)

6、狀懸挑屋蓋上脈動(dòng)風(fēng)荷載的特性。針對(duì)簡(jiǎn)單體育場(chǎng)懸挑屋蓋模型，采用Smagorinsky模型、動(dòng)力亞格子模型、一方程模型三種亞格子應(yīng)力模型進(jìn)行大渦模擬，用數(shù)值方法研究體育場(chǎng)懸挑屋蓋上脈動(dòng)荷載產(chǎn)生機(jī)理，并分析各種方法精度，其中后兩個(gè)亞格子應(yīng)力模型由自編程序?qū)崿F(xiàn)。針對(duì)大渦模擬在復(fù)雜三維模型中的應(yīng)用困難，結(jié)合改進(jìn)準(zhǔn)定常理論提出脈動(dòng)荷載均方值的數(shù)值模擬方法，實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)荷載的近似模擬。最后，根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)，總結(jié)各種環(huán)狀懸挑屋蓋上脈動(dòng)風(fēng)荷

7、載的自譜特性及相干特性。 4．采用協(xié)方差積分法結(jié)合柔度矩陣精確求解背景分量，提出大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的完全背景與共振分量響應(yīng)方法，編寫了大跨屋蓋結(jié)構(gòu)完整的風(fēng)荷載分析程序，對(duì)體育場(chǎng)環(huán)狀懸挑屋蓋進(jìn)行風(fēng)振計(jì)算及相關(guān)因素分析。 以隨機(jī)振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，用有限元方法分析結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)，并從數(shù)值計(jì)算效率的角度，采用雙精度稀疏矩陣格式對(duì)振動(dòng)方程的完全二次方結(jié)合法(CQC，Complete Quadratic Combination)進(jìn)行高效精確計(jì)

8、算。并將CQC法分離成背景和共振響應(yīng)兩個(gè)分量，直接采用協(xié)方差積分法結(jié)合柔度矩陣精確求解背景分量，提出大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的完全背景與共振分量響應(yīng)方法，其中共振分量考慮模態(tài)交叉項(xiàng)的作用。在對(duì)兩個(gè)體育場(chǎng)環(huán)狀懸挑屋蓋振動(dòng)特性進(jìn)行分析之后，考察了各種大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析方法的精度，并分析了兩個(gè)體育場(chǎng)環(huán)狀懸挑屋蓋風(fēng)振計(jì)算中的相關(guān)因素，主要包括參振模態(tài)數(shù)目、荷載譜密度、相干函數(shù)的影響，背景與共振分量的作用等。本章工作編寫了相對(duì)完整的風(fēng)振分析程序DWIND，