考慮內(nèi)充氣體與外部膜材共同作用的ETFE氣枕力學性能及風致響應(yīng)研究.pdf

1、ETFE氣枕式膜結(jié)構(gòu)是本世紀初才開始大量出現(xiàn)的新型圍護結(jié)構(gòu)。目前，有學者針對ETFE氣枕的力學性能與分析方法展開研究并取得了一定進展。然而，已有研究僅涉及ETFE氣枕的形態(tài)分析和荷載分析等靜力學內(nèi)容，尚未觸及ETFE氣枕的自振特性和風致響應(yīng)分析等動力學問題。ETFE氣枕在風荷載作用下的動力問題涉及兩類耦合:一是內(nèi)充氣體與ETFE薄膜的共同作用，二是氣枕與外部風場的流固耦合。第一類耦合的實質(zhì)是如何充分考慮內(nèi)充氣體對ETFE氣枕動力特性的影

2、響，而第二類耦合的實質(zhì)是如何更準確地計算外部流場的附加質(zhì)量、氣動阻尼與氣承剛度效應(yīng)。
　　本文以實現(xiàn)耦合作用下的ETFE氣枕風致動力響應(yīng)分析為出發(fā)點，基于理論推導(dǎo)、試驗研究及數(shù)值模擬等手段對ETFE氣枕動力分析中的關(guān)鍵技術(shù)問題進行了系統(tǒng)研究，主要內(nèi)容及創(chuàng)新包括:
　　(1)推導(dǎo)了充氣膜結(jié)構(gòu)內(nèi)充氣體與外部膜材的共同作用方程，提出基于共同作用模型的充氣膜結(jié)構(gòu)數(shù)值分析方法并進行了算例驗證。在張拉膜平衡方程中引入內(nèi)壓項得到外部膜材的

3、動力學方程，基于勢流假定得到描述內(nèi)充氣體運動的波動方程，然后引入界面協(xié)調(diào)條件并將結(jié)構(gòu)、流體方程聯(lián)立得到了充氣膜系統(tǒng)的共同作用方程。對兩類典型充氣膜結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬，驗證了共同作用模型在充氣膜結(jié)構(gòu)分析中的準確性和適用性。
　　(2)提出基于內(nèi)壓和膜面形狀測量的氣枕形態(tài)確定方法并用于ETFE氣枕的形態(tài)測試和加載測試，測試及分析結(jié)果表明該方法有效、可行。提出ETFE氣枕共同作用有限元模型的建立方法并進行了靜力試驗驗證。定義了ETFE氣

4、枕的破壞模式與承載力確定準則并探討了尺寸、矢跨比、膜面厚度對承載力-內(nèi)壓曲線的影響。結(jié)果表明:ETFE氣枕內(nèi)壓對外荷載十分敏感，荷載作用位置對氣枕的變形和內(nèi)壓影響明顯。在設(shè)計內(nèi)壓范圍內(nèi)，存在一個最優(yōu)氣壓使得ETFE氣枕具有最大承載力;尺寸、矢跨比及膜面厚度等參數(shù)變化會顯著影響氣枕的承載力。
　　(3)基于非接觸視頻測試并將峰值法、互譜法與指數(shù)擬合法相結(jié)合獲得了ETFE氣枕的模態(tài)參數(shù)及其隨內(nèi)壓和跨度的變化規(guī)律，研究了ETFE氣枕的自

5、由振動模式、頻率分布及阻尼特點。在此基礎(chǔ)上進行了ETFE氣枕的自振特性參數(shù)分析，研究了內(nèi)壓、矢跨比、跨度、膜厚及外部空氣對氣枕模態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明:測試氣枕的1階振型均為左右擠壓振動，但后續(xù)模態(tài)的振型有所不同;ETFE氣枕在靜風環(huán)境下屬于低阻尼結(jié)構(gòu)，模態(tài)阻尼比隨內(nèi)壓升高非線性下降;氣枕固有頻率隨著內(nèi)壓升高而非線性增加，隨跨度增加而迅速減小，且分布更為密集。內(nèi)壓與跨度變化對氣枕的模態(tài)振型影響有限;膜材厚度、矢跨比變化對氣枕低階和高

6、階模態(tài)頻率的影響效果不同;考慮外部空氣影響后的氣枕濕模態(tài)頻率較干模態(tài)頻率減小，外部空氣對氣枕動力特性的影響隨氣枕跨度增加而顯著增大。
　　(4)驗證了線性勢流單元在ETFE氣枕非線性、大變形隨機振動分析中的適用性和準確性，為氣枕流固耦合動力分析奠定基礎(chǔ)。將CFD模擬的剛性氣枕表面風壓時程加載于共同作用有限元模型進行非線性隨機振動分析，研究了ETFE氣枕在隨機風荷載下的振動模式及膜面響應(yīng)的分布特點。結(jié)果表明:風荷載作用下氣枕振動表現(xiàn)

7、出極強的整體性，上、下層膜面在內(nèi)充氣體的聯(lián)系下呈豎向整體擺動。氣枕上層膜的響應(yīng)峰值向迎風側(cè)偏移，沿風向呈非對稱分布;氣枕下層膜響應(yīng)因僅受均布壓力作用而近似呈對稱分布。
　　(5)基于結(jié)構(gòu)-流體同步數(shù)值建模技術(shù)建立了包含整個建筑的ETFE氣枕流固耦合分析模型，計算了考慮流固耦合作用的ETFE氣枕風致響應(yīng)，討論了流固耦合作用對ETFE氣枕響應(yīng)時程、空間分布、功率譜及風振系數(shù)的影響。定義了ETFE氣枕的流固耦合效應(yīng)系數(shù)，并給出其在工程常

8、見風速、內(nèi)壓、矢跨比和跨度下的變化規(guī)律和取值范圍。研究表明:ETFE氣枕在風荷載下的流固耦合效應(yīng)主要表現(xiàn)為外流場對氣枕動力響應(yīng)的單向影響，氣枕運動引起的流場改變十分微弱。流固耦合作用引起了較大的氣動阻尼，抑制了ETFE氣枕的風致振動。流固耦合作用下ETFE氣枕的響應(yīng)譜表現(xiàn)為以低頻振動為主的寬頻帶分布，與無耦合結(jié)果差異明顯，這表明有、無流固耦合作用下氣枕的風致振動機制有所區(qū)別，前者以風荷載作用下的強迫振動為主，而后者以結(jié)構(gòu)與流場的共振響應(yīng)

9、為主。ETFE氣枕的流固耦合效應(yīng)系數(shù)受風速、內(nèi)壓、矢跨比及跨度影響顯著;在工程常見的風速、內(nèi)壓、矢跨比及跨度范圍內(nèi)，氣枕流固耦合效應(yīng)系數(shù)的取值范圍分別為0.62～0.725、0.6～0.83、0.58～0.87及0.56～0.89。
　　本文以共同作用模型的理論推導(dǎo)和試驗驗證為基礎(chǔ)，并考慮氣枕與外部風場間的流固耦合作用實現(xiàn)了ETFE氣枕的風致動力響應(yīng)數(shù)值模擬和全過程分析，研究了ETFE氣枕的靜、動力性能及流固耦合特點，為氣枕工程設(shè)