膜结构风致耦合振动机理与抗风设计方法研究

膜结构在风荷载作用下的流固耦合问题一直是结构风工程领域的难题，至今没有很好解决。本项目在以往研究工作的基础上进一步完善和深化，力求在以下几个方面有所突破：1）膜结构气弹模型风洞实验研究，首先采用非接触测量系统对张拉膜结构进行了系统的气弹模型实验研究，探讨了膜结构的流固耦合机理。研究表明膜的气弹失稳主要由涡激共振引起，膜结构在风荷载作用下变形到平衡位置并围绕该平衡位置进行振动，特定风速下，流体流经平衡位置会产生旋涡。然后在已有的简化气弹模型力学方法和风洞实验初步成果的基础上，开展大量的类比实验，对膜结构风致振动过程中的气动弹性效应进行了深入的理论分析和风洞实验研究。2）膜结构三维流固耦合数值模拟研究，首先采用WAWS/POD法模拟随机风场，在此基础上引入无散度修正，解决脉动风速时间序列不满足连续性方程，从而影响LES计算的收敛性问题，有效提高计算精度。针对大涡模拟对计算资源要求苛刻的问题，为了提高其运算效率，基于FLUENT软件平台编制了可用于并行计算的用户自定义函数接口程序。在基础上建立更为精确的膜结构三维流固耦合数值模拟方法；完善了申请人提出的简化数值模拟方法，使其更具工程可操作性。3）膜结构流固耦合机理及抗风设计方法研究，在实验研究和数值模拟的基础上，探讨膜结构风致耦合振动机理，给出定量评价膜结构气动弹性效应的指标，系统建立考虑流固耦合效应的膜结构抗风设计方法。 2100433B

膜结构在风荷载作用下的流固耦合问题一直是结构风工程领域的难题，至今没有很好解决。本项目在以往研究工作的基础上进一步完善和深化，力求在以下几个方面有所突破：1）膜结构气弹模型风洞实验研究，在已有的简化气弹模型力学方法和风洞实验初步成果的基础上，开展大量的类比实验，对膜结构风致振动过程中的气动弹性效应进行了深入的理论分析和风洞实验研究。2）膜结构三维流固耦合数值模拟研究，通过引入大涡模拟技术、改进动网格技术及耦合交界面处的数据传递方法，建立更为精确的膜结构三维流固耦合数值模拟方法；完善申请人提出的简化数值模拟方法，使其更具工程可操作性。3）膜结构流固耦合机理及抗风设计方法研究，在实验研究和数值模拟的基础上，探讨膜结构风致耦合振动机理，给出定量评价膜结构气动弹性效应的指标，系统建立考虑流固耦合效应的膜结构抗风设计方法。

本项研究首先对电视塔类型高耸结构提出新的振动理论计算方法。采用了三维空间力学模型，能够准确与全面地给出结构的动态响应计算结果。在研究中对该类型结构除TMD与TLD控制体系外，还得出了TMLD和斜拉索等控制体系。对各体系进行了风振与地震响应分析，研究了各控制参数对减震效果的变化规律。并进行优化分析，取得了理想的控制效果。研制出上述各项分析的计算机程序。进一步引进了主动控制的思想，提出多态混合控制理论。它能回避被动控中荷载变化适应性差与应范围窄小和主动控中耗能过大与造价太高的缺点。通过分析验证可以看出这是一个很有发展前的控制方法。 2100433B