基于多案例剖析的體育場懸挑屋蓋風振控制策略與優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代體育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，體育場館作為舉辦各類體育賽事、文化活動的重要場所，其建設(shè)規(guī)模和復(fù)雜程度不斷提升。體育場懸挑屋蓋作為體育場館的重要組成部分，以其獨特的造型和大跨度的空間結(jié)構(gòu)，為觀眾提供了廣闊的視野和舒適的觀賽體驗，成為現(xiàn)代體育場館建筑的標志性特征之一。然而，這種結(jié)構(gòu)形式在滿足建筑功能和美學(xué)要求的同時，也面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中風振問題尤為突出。體育場懸挑屋蓋通常具有質(zhì)量輕、剛度小、阻尼低以及自振周期長等特點，這些特點使得其對風荷載極為敏感。在強風作用下，懸挑屋蓋容易產(chǎn)生大幅振動，這種振動不僅會影響結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，還可能對屋蓋的圍護結(jié)構(gòu)、內(nèi)部設(shè)備以及觀眾的舒適度造成不利影響。當風振響應(yīng)過大時，屋蓋結(jié)構(gòu)的桿件可能會承受過大的應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞損傷，甚至發(fā)生破壞；圍護結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)松動、脫落等現(xiàn)象，危及人員安全；內(nèi)部設(shè)備如照明、音響等可能會因振動而無法正常工作；觀眾在觀賽過程中也可能會因感受到強烈的振動而產(chǎn)生不適，影響觀賽體驗。以2018年臺風“山竹”襲擊廣東地區(qū)為例，部分體育場館的懸挑屋蓋在強風作用下出現(xiàn)了不同程度的損壞。其中，某體育場的懸挑屋蓋部分桿件發(fā)生了屈曲變形，圍護結(jié)構(gòu)的彩鋼板被大風掀起，造成了嚴重的經(jīng)濟損失，也給后續(xù)的修復(fù)工作帶來了極大的困難。又如，在2021年的一場大風天氣中，某新建體育場的懸挑屋蓋出現(xiàn)了明顯的振動，引起了現(xiàn)場觀眾的恐慌，盡管最終未造成結(jié)構(gòu)破壞，但也暴露出了該體育場在風振控制方面存在的問題。風荷載本身具有高度的隨機性和復(fù)雜性，其特性受到地形地貌、氣象條件、建筑物周圍環(huán)境等多種因素的綜合影響。對于體育場懸挑屋蓋而言，其獨特的外形和結(jié)構(gòu)特點進一步加劇了風荷載的復(fù)雜性。由于懸挑屋蓋的懸挑部分處于開放空間，氣流在其表面的流動狀態(tài)十分復(fù)雜，容易產(chǎn)生分離、再附、漩渦等現(xiàn)象，導(dǎo)致屋蓋表面的風壓分布極不均勻，不同部位的風荷載大小和方向差異較大。此外，風振響應(yīng)的計算涉及到結(jié)構(gòu)動力學(xué)、空氣動力學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的動力特性、風荷載的時程變化以及結(jié)構(gòu)與風的相互作用等因素，這也增加了準確預(yù)測風振響應(yīng)的難度。在我國現(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中，針對體育場懸挑屋蓋的風荷載計算方法相對簡單，難以準確反映其復(fù)雜的風荷載特性。規(guī)范中給出的體型系數(shù)等參數(shù)往往是基于一些簡化的假設(shè)和試驗數(shù)據(jù)，對于實際工程中多樣化的懸挑屋蓋形式和復(fù)雜的風環(huán)境條件，其適用性存在一定的局限性。這就導(dǎo)致在工程設(shè)計中，僅依據(jù)規(guī)范進行風荷載計算，可能會低估或高估結(jié)構(gòu)所承受的風荷載，從而給結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性帶來潛在風險。如果低估風荷載，結(jié)構(gòu)在實際使用過程中可能無法承受強風的作用，存在安全隱患；而如果高估風荷載，則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計過于保守，增加不必要的建設(shè)成本。因此，開展體育場懸挑屋蓋風振控制研究具有重要的現(xiàn)實意義。通過深入研究懸挑屋蓋的風振響應(yīng)特性和控制方法，可以為體育場館的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更為準確、可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支持，有效提高結(jié)構(gòu)的抗風能力和安全性，降低風災(zāi)對體育場館造成的損失。同時，合理的風振控制措施還可以減少結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，提高觀眾的舒適度，保障體育場館的正常使用功能。此外，對體育場懸挑屋蓋風振控制的研究，也有助于豐富和完善結(jié)構(gòu)風工程領(lǐng)域的理論和方法，推動相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，為其他類似大跨度空間結(jié)構(gòu)的風振控制研究提供有益的參考和借鑒。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀體育場懸挑屋蓋風振控制研究在國內(nèi)外均受到廣泛關(guān)注，隨著大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及風工程學(xué)科的進步，相關(guān)研究取得了一系列成果，同時也存在一些有待進一步解決的問題。國外對體育場懸挑屋蓋風振控制的研究起步較早。早在20世紀中葉，隨著體育建筑的興起，學(xué)者們開始關(guān)注大跨度懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的響應(yīng)問題。早期的研究主要集中在風荷載的測量和簡單的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析。通過現(xiàn)場實測和模型試驗，初步了解了風荷載的特性以及懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)的振動規(guī)律。例如，在一些早期的體育場建設(shè)中，通過在屋蓋上布置風速儀和加速度傳感器，對實際風荷載和結(jié)構(gòu)振動進行監(jiān)測，為后續(xù)研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。隨著科技的發(fā)展，數(shù)值模擬和計算技術(shù)逐漸應(yīng)用于風振控制研究。20世紀80年代以后，有限元方法的興起使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析成為可能。學(xué)者們開始利用有限元軟件對體育場懸挑屋蓋進行建模，分析其在風荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移響應(yīng)。同時，計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的發(fā)展也為風荷載的數(shù)值模擬提供了有力工具。通過CFD模擬，可以更加準確地預(yù)測屋蓋表面的風壓分布，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更可靠的依據(jù)。例如，Nakamura在1994年采用模態(tài)力法對一個體育場雙邊懸挑屋蓋進行風振分析，采用六階振型計算的動力位移與彈性模型試驗結(jié)果基本吻合，說明采用模態(tài)分析法計算隨機激勵下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)是可行的。Holmes在1997年認為體育場大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風荷載通常受平均分量和背景脈動分量控制，因此對背景分量的計算非常重要。在風振控制措施方面，國外也進行了大量的研究和實踐。被動控制技術(shù)如阻尼器的應(yīng)用較為廣泛。粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器等被安裝在懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)中，有效地減小了結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)。主動控制技術(shù)和半主動控制技術(shù)也在一些研究中得到探索。主動質(zhì)量阻尼器（AMD）、主動拉索控制系統(tǒng)等被嘗試應(yīng)用于體育場懸挑屋蓋的風振控制，雖然在實際工程中的應(yīng)用還相對較少，但為未來的發(fā)展提供了新的方向。國內(nèi)對體育場懸挑屋蓋風振控制的研究始于20世紀末，隨著國內(nèi)大型體育場館建設(shè)的蓬勃發(fā)展，相關(guān)研究逐漸深入。早期的研究主要借鑒國外的經(jīng)驗和方法，通過風洞試驗和數(shù)值模擬對體育場懸挑屋蓋的風荷載特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行分析。例如，張學(xué)安和陳水福采用數(shù)值模擬方法并結(jié)合風洞模型試驗數(shù)據(jù)，對一平屋面和一斜屋面的體育場主看臺懸挑屋蓋的表面風壓進行了計算和分析，對屋蓋上下表面的風壓分布規(guī)律進行了總結(jié)和歸納，并提出了兩種屋面情況的屋蓋風荷載簡化分布圖線和計算方法。近年來，國內(nèi)在風振控制理論和方法上取得了一定的創(chuàng)新成果。一些學(xué)者提出了新的風振響應(yīng)計算方法，如完全背景與共振分量法，該方法采用協(xié)方差積分法結(jié)合柔度矩陣精確求解風振位移響應(yīng)的背景分量，并考慮共振分量中的模態(tài)交叉項影響，提高了計算效率和精度。在風振控制措施方面，國內(nèi)不僅在被動控制技術(shù)上不斷優(yōu)化，還積極開展主動控制和半主動控制技術(shù)的研究。一些新型的阻尼器和控制裝置被研發(fā)和應(yīng)用，同時，智能控制算法在風振控制中的應(yīng)用也成為研究熱點。然而，目前體育場懸挑屋蓋風振控制研究仍存在一些問題。在風荷載特性研究方面，雖然風洞試驗和數(shù)值模擬取得了一定進展，但對于復(fù)雜地形和周邊環(huán)境下的風荷載準確預(yù)測仍存在困難。不同的風洞試驗條件和數(shù)值模擬方法可能導(dǎo)致結(jié)果存在差異，缺乏統(tǒng)一的標準和驗證方法。在風振響應(yīng)計算方面，現(xiàn)有的計算方法在考慮結(jié)構(gòu)與風的相互作用、非線性因素等方面還不夠完善，計算精度有待進一步提高。對于一些新型的結(jié)構(gòu)形式和材料，現(xiàn)有的計算理論可能并不適用，需要進一步研究和探索。在風振控制措施方面，雖然被動控制技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但如何優(yōu)化阻尼器的布置和參數(shù)，以達到最佳的控制效果，仍需要深入研究。主動控制和半主動控制技術(shù)雖然具有很大的潛力，但由于其系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高、可靠性有待提高等問題，在實際工程中的應(yīng)用還受到一定限制。此外，風振控制與結(jié)構(gòu)設(shè)計的一體化研究還不夠深入，如何在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段充分考慮風振控制的要求，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟性和舒適性的最優(yōu)平衡，也是未來研究的重點方向之一。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本文將圍繞體育場懸挑屋蓋風振控制展開多方面的研究，旨在深入了解其風振特性并提出有效的控制策略。懸挑屋蓋風荷載特性研究：利用風洞試驗，對不同形狀、尺寸和邊界條件下的體育場懸挑屋蓋模型進行測試，測量屋蓋表面的風壓分布，獲取平均風壓系數(shù)和脈動風壓系數(shù)，分析其隨風向、風速和結(jié)構(gòu)形式的變化規(guī)律。結(jié)合計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬，建立三維流場模型，模擬風在懸挑屋蓋周圍的流動情況，與風洞試驗結(jié)果相互驗證，進一步探究復(fù)雜風環(huán)境下的風荷載特性。例如，研究地形地貌對風荷載的影響，分析周圍建筑物的干擾效應(yīng)。風振響應(yīng)計算方法研究：基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理，建立懸挑屋蓋的有限元模型，考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料非線性，采用合適的數(shù)值算法求解風振響應(yīng)。對比不同的風振響應(yīng)計算方法，如頻域法、時域法和隨機振動理論，分析其優(yōu)缺點和適用范圍，改進現(xiàn)有計算方法，提高計算精度和效率。例如，針對傳統(tǒng)完全二次方結(jié)合法（CQC）在計算復(fù)雜大懸挑屋蓋風致響應(yīng)時存在的計算速度慢和內(nèi)存需求高的問題，采用完全背景與共振分量法，精確求解風振位移響應(yīng)的背景分量，并考慮共振分量中的模態(tài)交叉項影響。風振控制方法研究：研究被動控制技術(shù)，如粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器等在懸挑屋蓋風振控制中的應(yīng)用，分析阻尼器的布置位置、數(shù)量和參數(shù)對控制效果的影響，通過優(yōu)化設(shè)計，確定最佳的阻尼器配置方案。探索主動控制技術(shù)和半主動控制技術(shù)，如主動質(zhì)量阻尼器（AMD）、主動拉索控制系統(tǒng)和磁流變阻尼器等在懸挑屋蓋風振控制中的可行性，研究控制算法和系統(tǒng)實現(xiàn)方式，進行數(shù)值模擬和試驗驗證。例如，采用模糊控制算法對主動控制裝置進行控制，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。風振控制效果評估：建立考慮風振控制措施的體育場懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)模型，進行風振響應(yīng)計算，對比有無控制措施時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，評估控制效果。制定風振控制效果評估指標，如位移控制率、加速度控制率和能量耗散率等，綜合考慮結(jié)構(gòu)的安全性、舒適性和經(jīng)濟性，對不同的風振控制方案進行評價和優(yōu)化。例如，通過計算位移控制率來衡量阻尼器對結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的減小程度，通過能量耗散率來評估阻尼器的耗能能力。1.3.2研究方法為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，將綜合運用多種研究方法，確保研究的全面性和深入性。風洞試驗：設(shè)計并制作縮尺比例的體育場懸挑屋蓋剛性模型和氣動彈性模型，在風洞中模擬實際風場條件，測量屋蓋表面風壓分布和結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)。剛性模型用于測量平均風壓和脈動風壓，獲取體型系數(shù)等風荷載參數(shù)；氣動彈性模型用于模擬結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)，包括位移、加速度和應(yīng)力等。通過風洞試驗，獲得真實可靠的風荷載和結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，為數(shù)值模擬和理論分析提供依據(jù)。例如，在南京航空航天大學(xué)的Ntt2低速風洞進行試驗，實驗段尺寸為3.0m（寬）×2.5m（高）×18m（長），轉(zhuǎn)盤直徑2.3m，模型幾何縮尺比為1/200。數(shù)值模擬：運用計算流體力學(xué)（CFD）軟件，如ANSYSFluent、CFX等，對風在懸挑屋蓋周圍的流動進行數(shù)值模擬，計算屋蓋表面的風壓分布。利用結(jié)構(gòu)動力學(xué)軟件，如ANSYS、SAP2000等，建立懸挑屋蓋的有限元模型，進行風振響應(yīng)分析。通過數(shù)值模擬，可以快速、靈活地改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件，研究不同因素對風振響應(yīng)的影響，對風振控制方案進行優(yōu)化設(shè)計。例如，在ANSYS軟件中建立體育場挑篷結(jié)構(gòu)模型，分析結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的節(jié)點位移、加速度和桿件軸力等響應(yīng)。理論分析：基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)、隨機振動理論和控制理論，推導(dǎo)體育場懸挑屋蓋風振響應(yīng)的計算公式，研究風振控制的基本原理和方法。建立風振控制的數(shù)學(xué)模型，分析控制效果與控制參數(shù)之間的關(guān)系，為風振控制方案的設(shè)計提供理論支持。例如，運用隨機振動理論中的虛擬激勵法求解結(jié)構(gòu)在脈動風荷載作用下的抖振響應(yīng)，考慮激勵之間的相關(guān)性和振型交叉項的貢獻。案例分析：選取實際的體育場懸挑屋蓋工程案例，對其風振問題進行分析和研究，將理論研究成果應(yīng)用于實際工程，驗證風振控制方案的可行性和有效性。通過對實際案例的分析，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，為今后的體育場館建設(shè)提供參考和借鑒。例如，對沈陽奧林匹克體育中心體育場懸挑屋蓋進行空間風振分析，考慮屋蓋多個振型的影響，計算屋蓋各結(jié)點的等效靜力風荷載，分析屋蓋的最大動位移，給出位移和應(yīng)力兩種風振系數(shù)。二、體育場懸挑屋蓋風振理論基礎(chǔ)2.1風荷載特性2.1.1平均風荷載平均風荷載是指在較長時間內(nèi)（一般取10分鐘）風對結(jié)構(gòu)所施加的穩(wěn)定作用力，它是風荷載的主要組成部分之一。從本質(zhì)上講，平均風是由于大氣邊界層內(nèi)的平均氣流對建筑物的作用而產(chǎn)生的。在大氣邊界層中，氣流受到地球表面摩擦力、氣壓梯度力等多種因素的綜合作用，形成了具有一定平均速度和方向的氣流，這股氣流作用于體育場懸挑屋蓋時，就產(chǎn)生了平均風荷載。平均風荷載的計算通常依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范進行。在我國現(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012中，平均風荷載標準值的計算公式為：w_k=\beta_z\mu_s\mu_zw_0其中，w_k為平均風荷載標準值（kN/m^2）；\beta_z為高度z處的風振系數(shù)，它反映了風的脈動對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的放大作用，對于一般的體育場懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)，風振系數(shù)需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的動力特性、場地條件等因素通過專門的方法進行計算；\mu_s為風荷載體型系數(shù)，它取決于建筑物的外形和尺寸，不同形狀的體育場懸挑屋蓋具有不同的體型系數(shù)，例如，對于常見的單向懸挑屋蓋，其迎風面和背風面的體型系數(shù)取值會有所不同，迎風面在正壓作用下體型系數(shù)一般為正值，而背風面在負壓作用下體型系數(shù)通常為負值，且絕對值較大，這是因為氣流在屋蓋表面流動時，在背風面會形成漩渦，導(dǎo)致壓力降低；\mu_z為風壓高度變化系數(shù)，它與場地的粗糙度和建筑物的高度有關(guān)，一般來說，場地越粗糙，風壓高度變化系數(shù)在相同高度處的值越小，建筑物高度越高，風壓高度變化系數(shù)的值越大；w_0為基本風壓，它是以當?shù)乜諘缙教沟孛嫔?0m高度處10分鐘平均的年最大風速為標準，按規(guī)定的重現(xiàn)期（一般取50年或100年）確定的風壓值，基本風壓反映了該地區(qū)風荷載的基本水平，不同地區(qū)的基本風壓值差異較大，例如，沿海地區(qū)由于受到臺風等強風天氣的影響，基本風壓值通常比內(nèi)陸地區(qū)要高。對于體育場懸挑屋蓋而言，平均風荷載的作用具有明顯的特點。由于懸挑屋蓋的懸挑部分處于開放空間，氣流在其表面的流動較為復(fù)雜，導(dǎo)致平均風荷載在屋蓋表面的分布極不均勻。在懸挑屋蓋的前緣，氣流受到阻擋后會發(fā)生分離和再附，形成較大的壓力梯度，使得前緣區(qū)域承受較大的風荷載，尤其是在迎風面的前緣，平均風荷載可能會達到較大的值，這對屋蓋的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性提出了較高的要求。而在屋蓋的后緣，由于氣流的漩渦作用，平均風荷載相對較小，但可能會出現(xiàn)局部的負壓峰值，對屋蓋的圍護結(jié)構(gòu)造成不利影響。此外，平均風荷載的方向也會對屋蓋的受力產(chǎn)生重要影響。當風向與懸挑方向垂直時，屋蓋所承受的平均風荷載最大，此時結(jié)構(gòu)的受力最為不利；而當風向與懸挑方向平行時，平均風荷載相對較小，但仍可能引起結(jié)構(gòu)的振動和變形。2.1.2脈動風荷載脈動風荷載是指風在短時間內(nèi)的隨機波動部分，它是由于大氣邊界層內(nèi)氣流的紊流特性引起的。大氣邊界層中的氣流并非是完全穩(wěn)定的，而是存在著各種尺度的漩渦和湍流，這些漩渦和湍流的隨機運動使得風的速度和方向在短時間內(nèi)發(fā)生快速變化，從而產(chǎn)生了脈動風荷載。脈動風荷載具有明顯的隨機性和高頻特性。其隨機性體現(xiàn)在風速和風向的波動是不規(guī)則的，無法用確定的函數(shù)來描述，只能通過概率統(tǒng)計的方法來研究其特性。高頻特性則是指脈動風荷載的頻率成分較高，一般集中在0.1Hz-10Hz的范圍內(nèi)，這與平均風荷載的低頻特性形成了鮮明的對比。例如，通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，在強風作用下，體育場懸挑屋蓋表面的脈動風荷載頻率在某些情況下可達到5Hz以上，這種高頻的脈動風荷載容易激發(fā)結(jié)構(gòu)的高頻振動，對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命產(chǎn)生不利影響。脈動風荷載的產(chǎn)生原因主要有以下幾個方面：一是大氣邊界層內(nèi)的湍流運動，這是脈動風荷載產(chǎn)生的根本原因，湍流中的各種尺度漩渦不斷地與建筑物相互作用，導(dǎo)致風荷載的脈動；二是地形地貌的影響，當風經(jīng)過復(fù)雜的地形地貌，如山地、丘陵、峽谷等時，氣流會發(fā)生加速、減速、偏轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，從而加劇了風的脈動；三是建筑物周圍環(huán)境的影響，例如，周圍建筑物的存在會干擾氣流的流動，形成復(fù)雜的氣流場，導(dǎo)致脈動風荷載的增大。脈動風荷載對體育場懸挑屋蓋風振的影響機制較為復(fù)雜。由于脈動風荷載的隨機性和高頻特性，它能夠激發(fā)屋蓋結(jié)構(gòu)的各種振動模態(tài)，尤其是高頻模態(tài)。當脈動風的頻率與結(jié)構(gòu)的某一階自振頻率接近時，會發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)急劇增大。例如，某體育場懸挑屋蓋在風洞試驗中發(fā)現(xiàn)，當脈動風的頻率與屋蓋結(jié)構(gòu)的第三階自振頻率接近時，屋蓋的振動加速度響應(yīng)增大了數(shù)倍，這表明共振現(xiàn)象對結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)具有顯著的放大作用。此外，脈動風荷載還會引起結(jié)構(gòu)的抖振，抖振是一種由脈動風引起的隨機振動，它會使結(jié)構(gòu)在平均風荷載作用下的振動響應(yīng)產(chǎn)生波動，增加結(jié)構(gòu)的疲勞損傷風險。長期的抖振作用可能導(dǎo)致屋蓋結(jié)構(gòu)的桿件出現(xiàn)疲勞裂紋，降低結(jié)構(gòu)的使用壽命。在實際工程中，需要充分考慮脈動風荷載對體育場懸挑屋蓋風振的影響，采取有效的措施來減小風振響應(yīng)，保障結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。2.2結(jié)構(gòu)動力特性2.2.1自振頻率與振型自振頻率和振型是描述體育場懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)動力特性的重要參數(shù)，它們對于理解結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的響應(yīng)機制以及進行風振控制具有關(guān)鍵意義。自振頻率是結(jié)構(gòu)在自由振動時的固有頻率，它反映了結(jié)構(gòu)振動的快慢程度。對于體育場懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)，其自振頻率的計算通常采用有限元方法。在有限元模型中，將懸挑屋蓋離散為多個單元，通過建立單元的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，進而組裝得到結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣[K]和質(zhì)量矩陣[M]。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論，結(jié)構(gòu)的自由振動方程為：[M]\{\ddot{u}\}+[K]\{u\}=\{0\}其中，\{\ddot{u}\}為加速度向量，\{u\}為位移向量。設(shè)位移向量\{u\}=\{\varphi\}\sin(\omegat)，代入自由振動方程可得特征方程：\left([K]-\omega^{2}[M]\right)\{\varphi\}=\{0\}求解該特征方程，即可得到結(jié)構(gòu)的自振頻率\omega_i（i=1,2,\cdots,n，n為結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)）和相應(yīng)的振型向量\{\varphi_i\}。自振頻率對體育場懸挑屋蓋風振響應(yīng)有著重要影響。當風荷載的頻率成分與結(jié)構(gòu)的某一階自振頻率接近時，會引發(fā)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)急劇增大。例如，某體育場懸挑屋蓋的某一階自振頻率為3Hz，而在特定風況下，風荷載中存在頻率為2.8Hz-3.2Hz的成分，此時就容易發(fā)生共振，使得屋蓋的振動加速度和位移顯著增加，可能對結(jié)構(gòu)的安全性造成威脅。一般來說，較低的自振頻率會使結(jié)構(gòu)更容易受到低頻風荷載的影響，而較高的自振頻率則對高頻風荷載更為敏感。振型是結(jié)構(gòu)在某一階自振頻率下的振動形態(tài)，它描述了結(jié)構(gòu)各部分的相對位移關(guān)系。不同的振型反映了結(jié)構(gòu)不同的振動方式，對于體育場懸挑屋蓋，常見的振型包括豎向彎曲振型、水平扭轉(zhuǎn)振型等。在豎向彎曲振型下，屋蓋主要發(fā)生上下方向的彎曲變形；而在水平扭轉(zhuǎn)振型下，屋蓋則繞某一軸線發(fā)生扭轉(zhuǎn)。振型對風振響應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在不同振型對風荷載的敏感程度不同。例如，對于豎向風荷載，豎向彎曲振型的響應(yīng)可能較為突出；而對于水平風荷載，水平扭轉(zhuǎn)振型的響應(yīng)可能更為顯著。在風振響應(yīng)計算中，需要考慮多個振型的貢獻，因為風荷載是一個復(fù)雜的隨機荷載，它可能同時激發(fā)結(jié)構(gòu)的多個振型。通過振型疊加法，可以將各個振型的響應(yīng)進行疊加，得到結(jié)構(gòu)的總風振響應(yīng)。例如，在頻域法計算風振響應(yīng)中，采用完全二次方結(jié)合法（CQC）來考慮振型之間的相關(guān)性，從而準確計算結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)。2.2.2阻尼比阻尼比是結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的一個重要參數(shù)，它在體育場懸挑屋蓋風振控制中起著至關(guān)重要的作用。阻尼比表示結(jié)構(gòu)在振動過程中能量耗散的程度，它反映了結(jié)構(gòu)內(nèi)部以及結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)之間的各種阻尼機制，如材料阻尼、結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的摩擦阻尼、周圍空氣對結(jié)構(gòu)振動的阻尼等。在體育場懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)中，阻尼比的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。首先，阻尼比能夠抑制結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。當結(jié)構(gòu)受到風荷載作用而發(fā)生振動時，阻尼會消耗振動能量，使振動逐漸衰減。例如，在風振過程中，阻尼可以減小屋蓋的振動幅度，降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，從而提高結(jié)構(gòu)的安全性。其次，阻尼比對共振響應(yīng)有著顯著的影響。在共振情況下，結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)會急劇增大，而適當?shù)淖枘岜瓤梢杂行У叵拗乒舱耥憫?yīng)的峰值。當阻尼比增加時，共振峰的高度會降低，共振響應(yīng)的范圍也會減小。這對于防止結(jié)構(gòu)在共振時發(fā)生破壞具有重要意義。此外，阻尼比還會影響結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性。較高的阻尼比可以增強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使結(jié)構(gòu)在風荷載作用下更不容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。阻尼比的取值依據(jù)較為復(fù)雜，通常需要綜合考慮多個因素。一般來說，鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比取值范圍在0.01-0.02之間，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取值范圍在0.03-0.08之間。對于體育場懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)形式和材料的多樣性，阻尼比的取值需要根據(jù)具體情況進行確定。在實際工程中，可通過以下幾種方式來確定阻尼比。一是參考相關(guān)規(guī)范和標準，這些規(guī)范和標準根據(jù)大量的工程實踐和研究成果，給出了不同結(jié)構(gòu)類型的阻尼比推薦值。例如，我國的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012中對一些常見結(jié)構(gòu)的阻尼比有相應(yīng)的規(guī)定。二是進行現(xiàn)場實測，通過在實際結(jié)構(gòu)上安裝傳感器，測量結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵或人工激勵下的振動響應(yīng)，進而分析得到阻尼比。這種方法能夠直接反映結(jié)構(gòu)在實際工作狀態(tài)下的阻尼特性，但測試過程較為復(fù)雜，成本較高。三是進行數(shù)值模擬，利用有限元軟件等工具，在模型中考慮各種阻尼機制，通過模擬計算得到阻尼比。這種方法具有靈活性和高效性，但需要準確建立模型和合理設(shè)置阻尼參數(shù)。在確定體育場懸挑屋蓋的阻尼比時，還需要考慮結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境、維護情況等因素。例如，在潮濕環(huán)境下，結(jié)構(gòu)的阻尼比可能會有所增加；而結(jié)構(gòu)在長期使用過程中，如果出現(xiàn)損傷或連接松動等情況，阻尼比也會發(fā)生變化。因此，在風振控制設(shè)計中，需要根據(jù)具體情況合理確定阻尼比，以確保結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的安全性和穩(wěn)定性。2.3風振響應(yīng)計算方法2.3.1頻域分析法頻域分析法是基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)和隨機振動理論，將風荷載視為平穩(wěn)隨機過程，通過傅里葉變換將時域的風荷載轉(zhuǎn)化為頻域的功率譜密度函數(shù)，進而求解結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)的一種方法。其基本原理是利用結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)，將輸入的風荷載功率譜密度與結(jié)構(gòu)的動力特性相結(jié)合，計算出結(jié)構(gòu)響應(yīng)的功率譜密度，再通過積分得到響應(yīng)的均方值，從而評估結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的振動情況。在體育場懸挑屋蓋風振響應(yīng)計算中，頻域分析法具有廣泛的應(yīng)用。以某大型體育場懸挑屋蓋為例，首先建立該懸挑屋蓋的有限元模型，利用風洞試驗獲取屋蓋表面的脈動風壓時程數(shù)據(jù)，通過傅里葉變換將其轉(zhuǎn)化為功率譜密度函數(shù)。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論，計算出結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，進而得到結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)。將脈動風壓功率譜密度與頻響函數(shù)相乘，并在頻率域內(nèi)進行積分，得到結(jié)構(gòu)各節(jié)點的位移響應(yīng)功率譜密度。通過對功率譜密度積分，得到位移響應(yīng)的均方根值，從而評估屋蓋在風荷載作用下的振動情況。頻域分析法適用于線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，且在風荷載為平穩(wěn)隨機過程的假設(shè)下具有較高的計算精度和效率。它能夠快速地分析結(jié)構(gòu)的共振特性，明確結(jié)構(gòu)在不同頻率下風荷載作用下的響應(yīng)情況，對于初步設(shè)計階段確定結(jié)構(gòu)的基本動力特性和評估風振響應(yīng)具有重要意義。通過頻域分析，可以清晰地了解結(jié)構(gòu)的自振頻率與風荷載頻率的匹配關(guān)系，從而判斷是否存在共振風險，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供關(guān)鍵依據(jù)。然而，頻域分析法也存在一定的局限性。它通?；诰€性假設(shè)，對于具有明顯幾何非線性或材料非線性的體育場懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)，其計算結(jié)果可能與實際情況存在偏差。在考慮結(jié)構(gòu)與風的相互作用時，頻域分析法的模型相對簡化，難以準確反映復(fù)雜的氣彈效應(yīng)。當風荷載的非平穩(wěn)特性較為顯著時，頻域分析法的適用性也會受到挑戰(zhàn)。2.3.2時域分析法時域分析法是直接在時間域內(nèi)對結(jié)構(gòu)的動力平衡方程進行求解，以獲得結(jié)構(gòu)在風荷載隨時間變化作用下的響應(yīng)時程。該方法的特點是能夠考慮結(jié)構(gòu)的非線性特性、風荷載的非平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)與風的復(fù)雜相互作用。在體育場懸挑屋蓋風振響應(yīng)計算中，時域分析法的計算步驟如下：首先，建立考慮幾何非線性和材料非線性的懸挑屋蓋有限元模型，準確模擬結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。利用風洞試驗或數(shù)值模擬獲取風荷載的時程數(shù)據(jù)，包括平均風荷載和脈動風荷載的時間歷程。將風荷載時程作為輸入，代入結(jié)構(gòu)的動力平衡方程，采用合適的數(shù)值積分算法，如Newmark法、Wilson-θ法等，逐步求解結(jié)構(gòu)在每個時間步的位移、速度和加速度響應(yīng)，得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)的時間歷程。與頻域分析法相比，時域分析法具有獨特的優(yōu)勢。它能夠精確地處理結(jié)構(gòu)的非線性問題，對于體育場懸挑屋蓋這種可能存在大變形、材料屈服等非線性行為的結(jié)構(gòu)，時域分析法能夠更真實地反映其在風荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。時域分析法可以考慮風荷載的非平穩(wěn)特性，能夠處理風速和風向隨時間快速變化的情況，更符合實際風場的復(fù)雜特性。它還可以方便地考慮結(jié)構(gòu)與風的耦合作用，如氣彈效應(yīng)等，為研究復(fù)雜風環(huán)境下體育場懸挑屋蓋的風振響應(yīng)提供了有力工具。然而，時域分析法也存在一些缺點。由于需要對每個時間步進行計算，其計算量較大，計算時間長，對計算機的性能要求較高。在處理多自由度結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時，數(shù)值積分過程可能會引入數(shù)值誤差，影響計算結(jié)果的精度。而且，時域分析法的計算結(jié)果通常是結(jié)構(gòu)響應(yīng)的時間歷程，對于結(jié)果的分析和評估相對復(fù)雜，需要進一步進行統(tǒng)計分析等處理才能得到直觀的結(jié)論。在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)體育場懸挑屋蓋的具體特點和計算要求，合理選擇頻域分析法或時域分析法，必要時可結(jié)合兩種方法進行綜合分析，以提高風振響應(yīng)計算的準確性和可靠性。三、體育場懸挑屋蓋風振影響因素分析3.1結(jié)構(gòu)形式3.1.1懸挑長度與高度懸挑長度和高度是影響體育場懸挑屋蓋風振響應(yīng)的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，它們的變化會顯著改變屋蓋的受力特性和動力響應(yīng)。隨著懸挑長度的增加，屋蓋的風振響應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢。這是因為懸挑長度的增加使得屋蓋的懸臂部分更長，結(jié)構(gòu)的剛度相對減小，自振頻率降低。當風荷載作用時，長懸挑結(jié)構(gòu)更容易受到風的激勵而產(chǎn)生較大的振動。以沈陽奧林匹克體育中心體育場為例，其主看臺上方屋蓋主體桁架最大懸挑長度達78m，在風洞試驗和數(shù)值模擬分析中發(fā)現(xiàn)，隨著懸挑長度的增加，屋蓋前緣的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)明顯增大。在特定風況下，當懸挑長度從60m增加到78m時，屋蓋前緣的最大位移響應(yīng)增加了約30%，加速度響應(yīng)也增大了25%左右。這表明懸挑長度對屋蓋風振響應(yīng)的影響十分顯著，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要嚴格控制懸挑長度，以確保結(jié)構(gòu)的安全性。懸挑高度的變化同樣對風振響應(yīng)有著重要影響。較高的懸挑屋蓋會使結(jié)構(gòu)的重心升高，增加了結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的傾覆力矩。同時，懸挑高度的增加也會改變屋蓋周圍的氣流流場，使得風荷載的分布更加復(fù)雜。當懸挑高度增加時，屋蓋表面的風壓分布會發(fā)生變化，負壓區(qū)域可能會擴大，從而導(dǎo)致風吸力增大，進一步加劇屋蓋的振動。例如，某體育場在設(shè)計過程中，對不同懸挑高度的方案進行了對比分析。結(jié)果顯示，當懸挑高度從20m增加到30m時，屋蓋表面的最大負壓值增大了約20%，屋蓋的整體振動響應(yīng)也隨之增加。這說明懸挑高度的增加會使屋蓋面臨更大的風振風險，在設(shè)計時需要充分考慮懸挑高度對風振響應(yīng)的影響，通過合理的結(jié)構(gòu)布置和加強措施來提高結(jié)構(gòu)的抗風能力。3.1.2平面形狀與曲率體育場懸挑屋蓋的平面形狀和曲率對屋蓋表面風壓分布及風振響應(yīng)有著顯著的影響，不同的平面形狀和曲率會導(dǎo)致氣流在屋蓋表面的流動狀態(tài)各異，進而產(chǎn)生不同的風荷載效應(yīng)。常見的體育場懸挑屋蓋平面形狀有圓形、橢圓形、多邊形等。圓形平面的懸挑屋蓋在風荷載作用下，氣流相對較為均勻地繞流屋蓋表面，但在某些風向角下，可能會在屋蓋邊緣產(chǎn)生較大的漩渦，導(dǎo)致局部風壓增大。橢圓形平面的懸挑屋蓋，其長軸和短軸方向的風壓分布存在明顯差異，長軸方向的風壓相對較大，這是因為氣流在長軸方向的流動受到的阻礙更大，從而產(chǎn)生更大的壓力。多邊形平面的懸挑屋蓋，由于其棱角較多，氣流在繞過棱角時會發(fā)生分離和再附，形成復(fù)雜的氣流場，導(dǎo)致屋蓋表面的風壓分布極不均勻，在棱角處和迎風面的某些區(qū)域會出現(xiàn)較大的風壓峰值。曲率對屋蓋表面風壓分布也有著重要影響。具有一定曲率的懸挑屋蓋，如拱形屋蓋，其曲率的大小會改變氣流的流動軌跡。當氣流流經(jīng)拱形屋蓋時，會沿著拱形表面上升，在屋蓋頂部形成加速區(qū)，使得頂部的風壓減小，而在屋蓋的兩側(cè)，由于氣流的分離和再附，會產(chǎn)生較大的負壓區(qū)域。曲率還會影響屋蓋的整體剛度和自振特性，進而影響風振響應(yīng)。一般來說，適當?shù)那士梢蕴岣呶萆w的結(jié)構(gòu)剛度，降低風振響應(yīng)。例如，某體育場采用了拱形懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)，通過風洞試驗和數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，與平面懸挑屋蓋相比，拱形屋蓋在相同風荷載作用下，屋蓋的最大位移響應(yīng)降低了約20%，加速度響應(yīng)也有所減小。這表明合理設(shè)計屋蓋的曲率可以有效地改善屋蓋的抗風性能，減小風振響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。3.2風向與風速3.2.1不同風向角的影響風向角的變化對體育場懸挑屋蓋風振響應(yīng)有著至關(guān)重要的影響，它會導(dǎo)致屋蓋表面風壓分布的顯著改變，進而影響風振響應(yīng)的大小和分布規(guī)律。當風向角改變時，氣流與屋蓋的相對作用方向發(fā)生變化，使得屋蓋表面的氣流分離、再附以及漩渦脫落等現(xiàn)象也隨之改變。在不同風向角下，屋蓋表面的風壓分布呈現(xiàn)出明顯的差異。以某橢圓形體育場懸挑屋蓋為例，通過風洞試驗和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，當風向角為0°時，即風沿著長軸方向吹向屋蓋，屋蓋長軸迎風面的風壓較大，且在懸挑前緣出現(xiàn)較大的正壓峰值，這是因為氣流在遇到懸挑前緣時受到阻擋，速度降低，壓力升高。而在長軸背風面，由于氣流的漩渦作用，出現(xiàn)較大的負壓區(qū)域，負壓值隨著離懸挑前緣距離的增加而逐漸增大。當風向角為45°時，屋蓋表面的風壓分布變得更加復(fù)雜，除了在迎風面和背風面存在較大的壓力差外，在屋蓋的側(cè)面也出現(xiàn)了明顯的壓力變化，由于氣流的斜向作用，在側(cè)面產(chǎn)生了局部的高壓和低壓區(qū)域。當風向角為90°時，即風沿著短軸方向吹向屋蓋，屋蓋短軸迎風面的風壓分布相對較為均勻，但風壓值明顯小于長軸迎風面在0°風向角時的風壓值，而背風面的負壓區(qū)域相對較小。風向角對屋蓋風振響應(yīng)的影響機制主要是通過改變風荷載的大小和方向來實現(xiàn)的。不同的風壓分布會導(dǎo)致屋蓋各部位所受到的風荷載合力大小和方向不同，從而引起屋蓋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形發(fā)生變化。當風向角使得屋蓋表面產(chǎn)生較大的壓力差時，屋蓋結(jié)構(gòu)所承受的風荷載合力也會相應(yīng)增大，這可能導(dǎo)致屋蓋的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)顯著增加。在某些風向角下，風荷載的作用方向可能與屋蓋結(jié)構(gòu)的薄弱方向一致，從而加劇了結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。不同風向角下屋蓋風振響應(yīng)的變化規(guī)律對于結(jié)構(gòu)設(shè)計和抗風措施的制定具有重要指導(dǎo)意義。在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，需要根據(jù)當?shù)氐闹鲗?dǎo)風向和可能出現(xiàn)的風向角范圍，對屋蓋結(jié)構(gòu)進行多風向角的風振分析，確定結(jié)構(gòu)在最不利風向角下的響應(yīng)情況，以此為依據(jù)進行結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性設(shè)計。對于抗風措施的制定，需要考慮不同風向角下的風振響應(yīng)特點，合理布置抗風構(gòu)件和阻尼裝置。在風振響應(yīng)較大的風向角區(qū)域，可以增加結(jié)構(gòu)的支撐或加強構(gòu)件的連接，提高結(jié)構(gòu)的抗風能力；對于阻尼裝置的布置，需要根據(jù)不同風向角下的振動模態(tài)和響應(yīng)分布，優(yōu)化阻尼器的位置和參數(shù)，以達到最佳的減振效果。3.2.2風速大小與脈動特性風速大小和脈動特性是影響體育場懸挑屋蓋風振的關(guān)鍵因素，它們直接關(guān)系到風荷載的強度和特性，進而對屋蓋的風振響應(yīng)產(chǎn)生重要影響。風速大小與屋蓋風振響應(yīng)之間存在著密切的關(guān)系。一般來說，風速越大，作用在屋蓋表面的風荷載也越大，從而導(dǎo)致屋蓋的風振響應(yīng)越強烈。根據(jù)風荷載計算公式，風荷載標準值與風速的平方成正比，這意味著風速的微小增加可能會引起風荷載的大幅增長。以某體育場懸挑屋蓋為例，通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，當風速從10m/s增加到20m/s時，屋蓋的最大位移響應(yīng)增加了約3倍，加速度響應(yīng)也顯著增大。這表明風速大小對屋蓋風振響應(yīng)有著顯著的放大作用，在強風天氣下，體育場懸挑屋蓋面臨著更大的風振風險。脈動特性對屋蓋風振響應(yīng)的影響同樣不可忽視。脈動風荷載具有隨機性和高頻特性，它能夠激發(fā)屋蓋結(jié)構(gòu)的各種振動模態(tài)，尤其是高頻模態(tài)。當脈動風的頻率與結(jié)構(gòu)的某一階自振頻率接近時，會發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)急劇增大。脈動風荷載還會引起結(jié)構(gòu)的抖振，抖振是一種由脈動風引起的隨機振動，它會使結(jié)構(gòu)在平均風荷載作用下的振動響應(yīng)產(chǎn)生波動，增加結(jié)構(gòu)的疲勞損傷風險。例如，某體育場懸挑屋蓋在風洞試驗中發(fā)現(xiàn)，當脈動風的頻率與屋蓋結(jié)構(gòu)的第二階自振頻率接近時，屋蓋的振動加速度響應(yīng)增大了數(shù)倍，同時抖振現(xiàn)象也較為明顯，長期的抖振作用可能導(dǎo)致屋蓋結(jié)構(gòu)的桿件出現(xiàn)疲勞裂紋，降低結(jié)構(gòu)的使用壽命。風速大小和脈動特性對屋蓋風振響應(yīng)的影響程度在不同情況下有所差異。在低風速條件下，脈動風荷載的影響相對較小，屋蓋的風振響應(yīng)主要由平均風荷載控制；而在高風速條件下，脈動風荷載的影響顯著增大，可能成為控制風振響應(yīng)的主要因素。當結(jié)構(gòu)的自振頻率與脈動風的頻率成分較為接近時，脈動風荷載的影響更為突出，共振和抖振現(xiàn)象會更加明顯。因此，在體育場懸挑屋蓋的風振分析和控制中，需要充分考慮風速大小和脈動特性的影響，采用合適的方法進行風荷載模擬和結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算，以準確評估風振風險，并采取有效的控制措施來減小風振響應(yīng)，保障結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。3.3周邊環(huán)境3.3.1鄰近建筑物干擾鄰近建筑物對體育場懸挑屋蓋風場的干擾是一個復(fù)雜的空氣動力學(xué)問題，其干擾機制主要源于氣流在不同建筑物之間的相互作用。當風遇到鄰近建筑物時，氣流會發(fā)生繞流、分離和再附等現(xiàn)象，從而改變原有的風場特性。在某些情況下，鄰近建筑物可能會導(dǎo)致體育場懸挑屋蓋表面的風壓分布發(fā)生顯著變化。當鄰近建筑物位于體育場的上風方向時，它會阻擋部分氣流，使氣流在建筑物周圍形成復(fù)雜的漩渦和紊流區(qū)域。這些漩渦和紊流會隨著氣流向下游傳播，到達體育場懸挑屋蓋時，會破壞屋蓋表面原本相對穩(wěn)定的氣流邊界層，導(dǎo)致風壓分布變得不均勻。具體表現(xiàn)為，在屋蓋的某些區(qū)域，風壓可能會顯著增大，而在其他區(qū)域則可能減小。這種風壓分布的改變會直接影響屋蓋的風振響應(yīng)，增大結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜性。鄰近建筑物與體育場懸挑屋蓋之間的距離對風振響應(yīng)有著重要影響。一般來說，距離越近，干擾效應(yīng)越明顯。當距離較近時，建筑物之間的氣流相互作用更加劇烈，漩渦和紊流的強度和范圍都會增大。某體育場周邊新建了一座高層建筑，在風洞試驗中發(fā)現(xiàn)，當高層建筑與體育場懸挑屋蓋的距離小于一定值時，屋蓋表面的最大風壓系數(shù)比無干擾情況下增加了30%以上，風振響應(yīng)也顯著增大。隨著距離的增加，干擾效應(yīng)會逐漸減弱。當距離超過一定范圍后，鄰近建筑物對體育場懸挑屋蓋風振響應(yīng)的影響可以忽略不計。鄰近建筑物的高度和形狀也會對風振響應(yīng)產(chǎn)生不同程度的影響。較高的鄰近建筑物會對氣流產(chǎn)生更強的阻擋作用，使氣流在其周圍形成更大范圍的漩渦和紊流區(qū)域。如果鄰近建筑物的高度與體育場懸挑屋蓋相近，且形狀不規(guī)則，那么氣流在兩者之間的相互作用會更加復(fù)雜，可能導(dǎo)致屋蓋表面出現(xiàn)多個風壓峰值區(qū)域，進一步加劇風振響應(yīng)。例如，當鄰近建筑物為矩形高層建筑時，在其拐角處會產(chǎn)生強烈的氣流分離和漩渦，這些漩渦會對體育場懸挑屋蓋的風場產(chǎn)生較大的干擾，使屋蓋在該方向上的風振響應(yīng)明顯增大。而當鄰近建筑物為圓形或流線型時，氣流繞流相對較為順暢，對屋蓋風場的干擾相對較小。3.3.2地形地貌影響地形地貌對體育場懸挑屋蓋風荷載和振動響應(yīng)的作用是多方面的，其主要通過改變風的流動特性來影響屋蓋的受力情況。在山地、丘陵等復(fù)雜地形條件下，風的流動會受到地形起伏的影響。當風遇到山體或丘陵時，氣流會被迫抬升或繞流，導(dǎo)致風速和風向發(fā)生變化。在山體的迎風坡，氣流受到阻擋后會加速上升，風速增大，風壓也相應(yīng)增大；而在背風坡，氣流會形成漩渦和紊流，產(chǎn)生較大的負壓區(qū)域。這些變化會直接影響體育場懸挑屋蓋的風荷載分布。如果體育場位于山地的迎風坡，懸挑屋蓋會承受更大的風壓力，尤其是在屋蓋的前緣和迎風面，風荷載可能會超出常規(guī)設(shè)計值，對結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成威脅。而在背風坡，屋蓋可能會受到較大的吸力，增加屋蓋被掀起的風險。山谷、峽谷等地形由于其特殊的幾何形狀，會對風產(chǎn)生加速效應(yīng)。當風進入山谷或峽谷時，由于通道變窄，氣流會加速通過，形成狹管效應(yīng)。在狹管效應(yīng)的作用下，風速會顯著增大，風荷載也會隨之增加。某體育場位于山谷附近，在風洞試驗和數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，當風向與山谷走向一致時，體育場懸挑屋蓋所承受的風荷載比平坦地形條件下增加了50%以上，風振響應(yīng)也明顯加劇。這種加速效應(yīng)不僅會增大屋蓋的風荷載，還可能改變風的脈動特性，使風振響應(yīng)更加復(fù)雜。地形地貌還會影響風的湍流強度。在粗糙的地形表面，如山區(qū)、森林等，氣流會與地面或障礙物發(fā)生摩擦，產(chǎn)生更多的湍流。湍流強度的增加會導(dǎo)致脈動風荷載增大，從而加劇體育場懸挑屋蓋的振動響應(yīng)。由于湍流的隨機性，它會激發(fā)屋蓋結(jié)構(gòu)的多個振動模態(tài)，使結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的特性。長期處于高湍流強度的風場中，屋蓋結(jié)構(gòu)的疲勞損傷風險也會增加。因此，在體育場選址和設(shè)計階段，需要充分考慮地形地貌對風荷載和振動響應(yīng)的影響，采取相應(yīng)的措施來減小風振風險。例如，在地形復(fù)雜的區(qū)域，可以通過優(yōu)化體育場的布局和懸挑屋蓋的結(jié)構(gòu)形式，使其適應(yīng)地形風的特點；也可以采用風障、導(dǎo)流板等措施來改善風場，減小風荷載對屋蓋的影響。四、體育場懸挑屋蓋風振控制方法4.1被動控制被動控制是體育場懸挑屋蓋風振控制中應(yīng)用較為廣泛的一種方法，它不需要外部能源輸入，通過在結(jié)構(gòu)中設(shè)置特定的裝置來消耗風振能量，從而減小結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。被動控制裝置主要包括粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器和調(diào)諧質(zhì)量阻尼器等，這些裝置具有構(gòu)造簡單、可靠性高、維護成本低等優(yōu)點，在實際工程中取得了良好的應(yīng)用效果。4.1.1粘滯阻尼器粘滯阻尼器是一種速度相關(guān)型的耗能裝置，其工作原理基于流體的粘性。當結(jié)構(gòu)因風振而發(fā)生變形時，粘滯阻尼器的缸筒和活塞產(chǎn)生相對運動，迫使粘滯流體從小孔或間隙流過，從而產(chǎn)生阻尼力。阻尼力的大小與活塞運動速度的某一冪次方成正比，通過將振動能量轉(zhuǎn)化為熱能并耗散掉，達到減震的目的。其力學(xué)模型通常采用Maxwell模型進行描述，阻尼力的表達式為：F=Cv^{\alpha}其中，F(xiàn)為阻尼力，C為阻尼系數(shù)，v為活塞運動速度，\alpha為速度指數(shù)，一般在0.3-1.0之間取值。當\alpha=1時，為線性阻尼；當\alpha\neq1時，為非線性阻尼。在體育場懸挑屋蓋風振控制中，粘滯阻尼器具有顯著的應(yīng)用效果。以某體育場為例，該體育場懸挑屋蓋采用了粘滯阻尼器進行風振控制。在風洞試驗和數(shù)值模擬分析中，對比了安裝粘滯阻尼器前后屋蓋的風振響應(yīng)。結(jié)果顯示，安裝粘滯阻尼器后，屋蓋的最大位移響應(yīng)降低了約35%，加速度響應(yīng)也明顯減小，有效提高了結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性。通過合理布置粘滯阻尼器，能夠改變結(jié)構(gòu)的動力特性，增加結(jié)構(gòu)的阻尼比，從而減小風振響應(yīng)。在實際工程應(yīng)用中，粘滯阻尼器的布置位置和參數(shù)需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點和受力情況進行優(yōu)化設(shè)計。一般來說，將粘滯阻尼器布置在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，如懸挑屋蓋的支座、主要受力桿件等，能夠充分發(fā)揮其耗能作用。同時，通過調(diào)整阻尼系數(shù)和速度指數(shù)等參數(shù)，可以使粘滯阻尼器的性能與結(jié)構(gòu)的風振特性相匹配，達到最佳的減振效果。粘滯阻尼器的優(yōu)點還包括對結(jié)構(gòu)只提供附加阻尼，而不提供附加剛度，因而不會改變結(jié)構(gòu)的自振周期，這使得它在不影響結(jié)構(gòu)原有力學(xué)性能的前提下，有效地減小了風振響應(yīng)。4.1.2粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器由粘彈性材料和約束鋼板組成，其特性基于粘彈性材料的獨特性能。粘彈性材料在受到外力作用時，能夠同時表現(xiàn)出彈性和粘性特性。當粘彈性阻尼器受到風振作用而產(chǎn)生變形時，粘彈性材料內(nèi)部發(fā)生的變形會產(chǎn)生阻尼力，這個阻尼力與物體的運動速度成正比，即速度越快，阻尼力越大。在結(jié)構(gòu)振動過程中，粘彈性阻尼器能夠根據(jù)振動特性自動調(diào)整其工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)對振動的有效控制。粘彈性阻尼器的工作機制是，在風振作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，粘彈性阻尼器隨之發(fā)生變形。粘彈性材料在變形過程中，一方面通過彈性變形儲存部分能量，另一方面通過粘性作用將部分能量轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉。這種能量的儲存和耗散過程有效地減小了結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。粘彈性阻尼器提供結(jié)構(gòu)額外剛度，在任何振動情況下都能提供附加阻尼，并且可重復(fù)多次使用。然而，粘彈性阻尼器也存在一些缺點。其性能受材料性能、溫度等因素影響較大。不同的粘彈性材料具有不同的阻尼性能，材料的老化、疲勞等問題會導(dǎo)致阻尼器性能的逐漸下降。溫度變化對粘彈性阻尼器的性能影響也較為顯著，在高溫或低溫環(huán)境下，粘彈性材料的粘性和彈性特性會發(fā)生改變，從而影響阻尼器的減振效果。在設(shè)計和使用粘彈性阻尼器時，需要充分考慮這些因素，選擇合適的材料和進行合理的構(gòu)造設(shè)計，以確保阻尼器在不同環(huán)境條件下都能有效地發(fā)揮作用。4.1.3調(diào)諧質(zhì)量阻尼器調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）是一種被動調(diào)諧減振控制裝置，其工作原理是通過附加一個質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)來吸收特定頻率的振動。TMD由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼裝置組成，通過調(diào)整TMD的質(zhì)量和剛度，可以使其自然頻率與結(jié)構(gòu)的共振頻率相匹配。當結(jié)構(gòu)受到風振激勵而發(fā)生振動時，TMD也會隨之振動，由于其與結(jié)構(gòu)的共振頻率相近，TMD能夠吸收結(jié)構(gòu)的振動能量，從而減小結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。TMD的參數(shù)設(shè)計方法至關(guān)重要，其主要參數(shù)包括質(zhì)量比、頻率比和阻尼比。質(zhì)量比是指TMD的質(zhì)量與主結(jié)構(gòu)質(zhì)量的比值，頻率比是指TMD的自振頻率與主結(jié)構(gòu)的自振頻率的比值，阻尼比是指TMD的阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)的比值。一般來說，通過優(yōu)化這些參數(shù)，可以使TMD達到最佳的減振效果。在確定TMD的參數(shù)時，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的動力特性、風荷載的頻率成分以及TMD的安裝空間等因素。通常采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，建立結(jié)構(gòu)與TMD的耦合動力學(xué)模型，通過對模型的分析和計算，得到不同參數(shù)組合下TMD的減振效果，從而確定最優(yōu)的參數(shù)值。在體育場懸挑屋蓋中，TMD有諸多應(yīng)用案例。例如，臺北101大廈的觀景臺就安裝了TMD，該TMD的質(zhì)量為660噸，直徑5.5米，由41層鋼板組成。在強風作用下，TMD能夠有效地減小大廈的振動響應(yīng)，保障了觀景臺的安全和游客的舒適度。又如，某體育場懸挑屋蓋在風振控制中采用了TMD，通過合理設(shè)計TMD的參數(shù)，使TMD的自振頻率與屋蓋的主要共振頻率相匹配。在實際運行中，TMD有效地吸收了屋蓋的振動能量，使屋蓋的最大位移響應(yīng)降低了約25%，加速度響應(yīng)也明顯減小，顯著提高了屋蓋的抗風性能。4.2主動控制主動控制是體育場懸挑屋蓋風振控制領(lǐng)域中具有較高技術(shù)含量和發(fā)展?jié)摿Φ囊环N控制方法。與被動控制不同，主動控制需要外部能源輸入，通過實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法，主動地施加控制力來減小結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)。這種控制方式能夠更加靈活、有效地應(yīng)對復(fù)雜多變的風荷載，具有較高的控制精度和適應(yīng)性。在體育場懸挑屋蓋的風振控制中，主動控制技術(shù)主要包括主動質(zhì)量阻尼器和智能材料阻尼器等，它們各自具有獨特的工作原理和應(yīng)用特點，為體育場懸挑屋蓋的風振控制提供了新的思路和方法。4.2.1主動質(zhì)量阻尼器主動質(zhì)量阻尼器（AMD）是一種典型的主動控制裝置，其工作原理基于牛頓第二定律，通過產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)振動方向相反的慣性力來抵消部分風振力，從而減小結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。AMD主要由質(zhì)量塊、驅(qū)動裝置和控制系統(tǒng)組成。驅(qū)動裝置在控制系統(tǒng)的指令下，驅(qū)動質(zhì)量塊產(chǎn)生運動，質(zhì)量塊的運動產(chǎn)生慣性力，這個慣性力作用于結(jié)構(gòu)上，與結(jié)構(gòu)的風振力相互作用，達到減振的目的。在體育場懸挑屋蓋風振主動控制中，AMD的控制策略至關(guān)重要。常見的控制策略包括最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制和模糊控制等。最優(yōu)控制是基于現(xiàn)代控制理論，通過建立結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型和性能指標函數(shù)，求解出最優(yōu)的控制力，使結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)最小化。自適應(yīng)控制則是根據(jù)結(jié)構(gòu)的實時振動狀態(tài)和環(huán)境變化，自動調(diào)整控制參數(shù)，以適應(yīng)不同的工況。模糊控制是一種基于模糊邏輯的智能控制方法，它不需要精確的數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)經(jīng)驗和模糊規(guī)則進行控制決策，具有較強的魯棒性和適應(yīng)性。以某體育場懸挑屋蓋風振主動控制為例，采用AMD進行控制。在控制過程中，通過布置在屋蓋上的傳感器實時監(jiān)測屋蓋的振動位移和加速度?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用模糊控制策略計算出需要施加的控制力。驅(qū)動裝置根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，驅(qū)動質(zhì)量塊運動，產(chǎn)生與風振力相反的慣性力，有效地減小了屋蓋的振動響應(yīng)。在不同風速和風向條件下的模擬結(jié)果表明，采用AMD進行風振控制后，屋蓋的最大位移響應(yīng)降低了約40%，加速度響應(yīng)也顯著減小，提高了結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性。然而，AMD在實際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)，如需要可靠的能源供應(yīng)、控制系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高等。為了克服這些問題，需要進一步優(yōu)化AMD的設(shè)計和控制算法，提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，使其在體育場懸挑屋蓋風振控制中得到更廣泛的應(yīng)用。4.2.2智能材料阻尼器智能材料阻尼器是利用智能材料的特殊性能來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)控制的一種新型阻尼器，具有響應(yīng)速度快、控制精度高、可根據(jù)結(jié)構(gòu)振動狀態(tài)自動調(diào)整阻尼力等優(yōu)點，在體育場懸挑屋蓋風振控制中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，應(yīng)用于風振控制的智能材料阻尼器主要包括磁流變阻尼器和電流變阻尼器等。磁流變阻尼器利用磁流變液在磁場作用下粘度發(fā)生變化的特性來工作。磁流變液是一種新型智能材料，由磁性顆粒均勻分散在載液中形成。當沒有外加磁場時，磁流變液呈現(xiàn)出低粘度的牛頓流體特性，阻尼力較??；當施加磁場時，磁性顆粒在磁場作用下迅速形成鏈狀結(jié)構(gòu)，使磁流變液的粘度急劇增加，從而產(chǎn)生較大的阻尼力。通過控制磁場強度，可以精確地調(diào)節(jié)磁流變阻尼器的阻尼力大小，以適應(yīng)不同的風振工況。電流變阻尼器的工作原理與磁流變阻尼器類似，它利用電流變液在電場作用下的流變特性來實現(xiàn)阻尼力的調(diào)節(jié)。電流變液在電場作用下，其粘度和屈服應(yīng)力會發(fā)生顯著變化，從而改變阻尼器的阻尼性能。與磁流變阻尼器相比，電流變阻尼器的響應(yīng)速度更快，但目前其阻尼力相對較小，限制了其在一些工程中的應(yīng)用。在體育場懸挑屋蓋風振控制中，智能材料阻尼器具有獨特的優(yōu)勢。由于智能材料阻尼器能夠根據(jù)風振響應(yīng)實時調(diào)整阻尼力，能夠更加有效地抑制結(jié)構(gòu)的振動。在強風作用下，當屋蓋的振動響應(yīng)增大時，智能材料阻尼器可以迅速增加阻尼力，減小振動幅度；而在風荷載較小時，阻尼器可以自動減小阻尼力，避免對結(jié)構(gòu)的正常使用產(chǎn)生影響。智能材料阻尼器的響應(yīng)速度快，能夠及時跟蹤風振響應(yīng)的變化，提供準確的控制力，這對于保障體育場懸挑屋蓋在復(fù)雜風環(huán)境下的安全性和穩(wěn)定性具有重要意義。盡管智能材料阻尼器在體育場懸挑屋蓋風振控制中具有良好的應(yīng)用前景，但目前仍存在一些問題需要解決。智能材料的成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用；阻尼器的耐久性和可靠性還需要進一步提高，以確保在長期使用過程中能夠穩(wěn)定地發(fā)揮作用；智能材料阻尼器與結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作機制還需要深入研究，以優(yōu)化阻尼器的布置和控制策略，提高控制效果。4.3半主動控制半主動控制是一種結(jié)合了被動控制和主動控制優(yōu)點的風振控制方法，它不需要大量的外部能源輸入，而是通過實時調(diào)節(jié)控制裝置的參數(shù)來適應(yīng)不同的風振工況，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)的有效控制。在體育場懸挑屋蓋風振控制中，半主動控制具有較高的靈活性和適應(yīng)性，能夠在不同的風速、風向和結(jié)構(gòu)振動狀態(tài)下發(fā)揮良好的控制效果。常見的半主動控制方法包括變阻尼控制和變剛度控制，它們分別通過改變阻尼器的阻尼特性和結(jié)構(gòu)的剛度來減小結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)。4.3.1變阻尼控制變阻尼控制是半主動控制中的一種重要方法，其原理是通過實時改變阻尼器的阻尼系數(shù)，使其能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)的振動狀態(tài)和外部風荷載的變化提供合適的阻尼力，從而有效地減小結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)。在體育場懸挑屋蓋風振控制中，實現(xiàn)變阻尼控制的方式主要有以下幾種。磁流變阻尼器是實現(xiàn)變阻尼控制的常用裝置之一。磁流變液是一種智能材料，其粘度可以在磁場的作用下發(fā)生顯著變化。當在磁流變阻尼器的工作間隙中施加磁場時，磁流變液中的磁性顆粒會迅速排列成鏈狀結(jié)構(gòu)，從而使流體的粘度增大，阻尼力也隨之增加；反之，當減小或去除磁場時，磁流變液的粘度降低，阻尼力減小。通過控制施加磁場的強度，就可以精確地調(diào)節(jié)磁流變阻尼器的阻尼系數(shù)，實現(xiàn)變阻尼控制。這種控制方式響應(yīng)速度快，能夠在毫秒級的時間內(nèi)對結(jié)構(gòu)的振動變化做出反應(yīng)，適應(yīng)風振響應(yīng)的快速變化。電流變阻尼器也是實現(xiàn)變阻尼控制的一種方式。電流變液在電場作用下會發(fā)生流變現(xiàn)象，其粘度和屈服應(yīng)力會隨著電場強度的變化而改變。當在電流變阻尼器中施加電場時，電流變液的性能發(fā)生變化，從而改變阻尼器的阻尼力。與磁流變阻尼器類似，通過調(diào)節(jié)電場強度，可以實現(xiàn)電流變阻尼器阻尼系數(shù)的實時調(diào)節(jié)。電流變阻尼器具有響應(yīng)速度極快的優(yōu)點，但其阻尼力相對較小，在應(yīng)用時需要根據(jù)具體情況進行合理設(shè)計和配置。還有一種通過調(diào)節(jié)阻尼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)變阻尼控制的方法。例如，在一些阻尼器中，可以通過改變阻尼孔的大小、數(shù)量或形狀來調(diào)節(jié)阻尼力。當結(jié)構(gòu)振動較小時，減小阻尼孔的尺寸或數(shù)量，使阻尼力增大，以抑制結(jié)構(gòu)的微小振動；當結(jié)構(gòu)振動較大時，增大阻尼孔的尺寸或數(shù)量，使阻尼力減小，避免阻尼器對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的附加力。這種方式雖然響應(yīng)速度相對較慢，但結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，在一些對響應(yīng)速度要求不是特別高的體育場懸挑屋蓋風振控制中具有一定的應(yīng)用價值。變阻尼控制在體育場懸挑屋蓋風振控制中具有顯著的優(yōu)勢。它能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)的實時振動狀態(tài)和外部風荷載的變化，動態(tài)地調(diào)整阻尼力的大小，使阻尼器在不同的工況下都能發(fā)揮最佳的減振效果。相比傳統(tǒng)的被動控制方式，變阻尼控制可以更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的風環(huán)境，提高結(jié)構(gòu)的抗風能力。變阻尼控制不需要像主動控制那樣消耗大量的外部能源，同時又具有主動控制的靈活性和適應(yīng)性，成本相對較低，易于在實際工程中應(yīng)用和推廣。4.3.2變剛度控制變剛度控制是半主動控制在體育場懸挑屋蓋風振控制中的另一種重要應(yīng)用方式，其工作機制基于改變結(jié)構(gòu)的剛度特性，以調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率，使其避開風荷載的主要頻率成分，從而減小結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)。在體育場懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)變剛度控制主要通過一些特殊的裝置或結(jié)構(gòu)形式來實現(xiàn)。可調(diào)節(jié)支撐系統(tǒng)是常用的變剛度控制手段之一。這種支撐系統(tǒng)通常采用液壓、氣壓或機械裝置來改變支撐的長度或剛度。當風荷載作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動時，傳感器實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整支撐系統(tǒng)的參數(shù)，使支撐的剛度發(fā)生變化。在風荷載頻率較高時，增加支撐的剛度，提高結(jié)構(gòu)的自振頻率，避免結(jié)構(gòu)與風荷載發(fā)生共振；在風荷載頻率較低時，適當減小支撐剛度，使結(jié)構(gòu)的自振頻率降低，從而減小風振響應(yīng)。這種可調(diào)節(jié)支撐系統(tǒng)能夠根據(jù)實際風振情況靈活地改變結(jié)構(gòu)剛度，有效地提高結(jié)構(gòu)的抗風性能。形狀記憶合金（SMA）材料也可用于實現(xiàn)變剛度控制。SMA具有獨特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性特性。在一定溫度范圍內(nèi)，SMA可以恢復(fù)到預(yù)先設(shè)定的形狀，并且在受力過程中表現(xiàn)出非線性的力學(xué)行為。將SMA材料應(yīng)用于體育場懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)中，例如作為連接構(gòu)件或加強元件，當結(jié)構(gòu)受到風振作用時，SMA材料會根據(jù)溫度和應(yīng)力的變化改變自身的力學(xué)性能，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的改變。在溫度升高或應(yīng)力達到一定閾值時，SMA材料發(fā)生相變，其剛度發(fā)生顯著變化，進而調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率，達到減小風振響應(yīng)的目的。變剛度控制對體育場懸挑屋蓋風振響應(yīng)的調(diào)節(jié)作用十分顯著。通過改變結(jié)構(gòu)剛度，能夠使結(jié)構(gòu)的自振頻率與風荷載的頻率分布更好地匹配，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。當結(jié)構(gòu)的自振頻率與風荷載頻率接近時，共振會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)急劇增大，而變剛度控制可以有效地避免這種情況的發(fā)生，降低結(jié)構(gòu)的振動幅度。變剛度控制還可以改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的應(yīng)力分布更加均勻，減少結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。變剛度控制為體育場懸挑屋蓋的風振控制提供了一種有效的手段，能夠在不同的風環(huán)境條件下，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度來優(yōu)化結(jié)構(gòu)的動力性能，減小風振響應(yīng)，保障體育場懸挑屋蓋的安全穩(wěn)定運行。五、案例分析5.1沈陽奧林匹克體育中心體育場5.1.1工程概況沈陽奧林匹克體育中心體育場位于沈陽市，是2008年北京奧運會足球比賽的分賽場之一。體育場南北方向長約360m，東西方向?qū)捈s267m，總建筑面積14.2萬平方米，可容納約6萬人觀賽?？磁_上方設(shè)有環(huán)形懸挑屋蓋，其結(jié)構(gòu)設(shè)計獨特且復(fù)雜，東西兩對邊屋蓋為主屋蓋，南北兩個次屋蓋由主屋蓋支承。主看臺上方屋蓋主體桁架最大高度達81.6m，最大懸挑長度達78m，這種大跨度懸挑結(jié)構(gòu)使得屋蓋在風荷載作用下的受力情況極為復(fù)雜。屋蓋結(jié)構(gòu)采用空間管桁架體系，由主桁架、次桁架和支撐系統(tǒng)組成。主桁架采用箱型截面，次桁架采用圓管截面，支撐系統(tǒng)則采用圓管和型鋼組合而成。這種結(jié)構(gòu)形式具有較高的空間穩(wěn)定性和承載能力，但同時也對風振控制提出了更高的要求。由于懸挑屋蓋質(zhì)量輕、剛度小、阻尼低，自振周期較長，對風荷載非常敏感，在強風作用下容易產(chǎn)生較大的振動響應(yīng)，可能影響結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用。體育場所在地區(qū)的氣象條件對風振分析也具有重要影響。沈陽地區(qū)屬于溫帶季風氣候，冬季受西伯利亞冷空氣影響，風力較大，且常伴有大風天氣。夏季雖然相對風力較小，但在強對流天氣下也可能出現(xiàn)短時強風。根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計，該地區(qū)年平均風速約為3.5m/s，最大風速可達25m/s以上。在進行體育場懸挑屋蓋風振分析時，需要充分考慮這些氣象條件，以確保結(jié)構(gòu)在各種風況下的安全性。5.1.2風洞試驗與數(shù)值模擬為了準確獲取沈陽奧林匹克體育中心體育場懸挑屋蓋的風荷載特性和結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)，進行了詳細的風洞試驗和數(shù)值模擬分析。風洞試驗在南京航空航天大學(xué)的Ntt2低速風洞進行，實驗段尺寸為3.0m（寬）×2.5m（高）×18m（長），轉(zhuǎn)盤直徑2.3m。試驗采用幾何縮尺比為1/200的剛性模型，模型由鋼材、木材、紫銅管和高分子塑料板材制成，以保證模型的剛度和表面粗糙度符合要求。在屋蓋表面布置了大量的壓力傳感器，用于測量不同風向角下屋蓋表面的風壓分布。試驗?zāi)M了多種風速和風向條件，共設(shè)置了16個風向角，風速范圍為5m/s-25m/s，涵蓋了該地區(qū)可能出現(xiàn)的各種風況。在風洞試驗過程中，同步采集了屋蓋表面的風壓數(shù)據(jù)。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，得到了不同風向角下屋蓋表面的平均風壓系數(shù)和脈動風壓系數(shù)。結(jié)果表明，屋蓋表面的風壓分布極不均勻，在懸挑前緣和角部區(qū)域，風壓系數(shù)明顯增大，尤其是在某些特定風向角下，懸挑前緣的負壓峰值可達-2.5左右，這對屋蓋的結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成了較大威脅。在背風面和側(cè)風面，也存在較大的負壓區(qū)域，容易導(dǎo)致屋蓋圍護結(jié)構(gòu)的破壞。數(shù)值模擬采用計算流體力學(xué)（CFD）軟件ANSYSFluent進行。建立了包含體育場懸挑屋蓋及周邊環(huán)境的三維模型，考慮了地形地貌和鄰近建筑物的影響。采用RNGk-ε湍流模型對風場進行模擬，通過求解Navier-Stokes方程得到風場的速度和壓力分布。將模擬得到的風壓結(jié)果與風洞試驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了數(shù)值模擬方法的準確性。通過數(shù)值模擬，進一步分析了風在屋蓋周圍的流動特性。結(jié)果顯示，在屋蓋懸挑前緣，氣流發(fā)生強烈的分離和再附現(xiàn)象，形成了復(fù)雜的漩渦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致該區(qū)域風壓急劇變化。在屋蓋下方，由于氣流的繞流作用，形成了一個相對低壓的區(qū)域，增加了屋蓋的風吸力。數(shù)值模擬還能夠直觀地展示不同風向角下屋蓋表面的風壓云圖和流線圖，為深入理解風荷載的作用機制提供了有力支持。5.1.3風振控制措施與效果針對沈陽奧林匹克體育中心體育場懸挑屋蓋的風振問題，采取了一系列有效的風振控制措施，并對其控制效果進行了評估。在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件截面尺寸，提高了屋蓋的整體剛度和穩(wěn)定性。增加了主桁架的截面高度和寬度，合理布置了支撐系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)的自振頻率得到了提高，從而減小了風振響應(yīng)。在屋蓋的關(guān)鍵部位，如懸挑前緣和角部，加強了結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點，提高了節(jié)點的承載能力和剛度，以應(yīng)對較大的風荷載。采用粘滯阻尼器作為主要的風振控制裝置。粘滯阻尼器具有耗能能力強、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，能夠有效地減小結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點和受力情況，在屋蓋的主桁架和次桁架上合理布置了粘滯阻尼器。通過數(shù)值模擬和試驗研究，確定了粘滯阻尼器的最佳參數(shù)，包括阻尼系數(shù)和速度指數(shù)等。在風洞試驗和數(shù)值模擬中，對比了安裝粘滯阻尼器前后屋蓋的風振響應(yīng)。結(jié)果顯示，安裝粘滯阻尼器后，屋蓋的最大位移響應(yīng)降低了約30%，加速度響應(yīng)也明顯減小，有效提高了結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性。還考慮了采用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）作為輔助的風振控制措施。TMD通過調(diào)整自身的質(zhì)量和剛度，使其自振頻率與結(jié)構(gòu)的主要共振頻率相匹配，從而吸收結(jié)構(gòu)的振動能量，減小風振響應(yīng)。在數(shù)值模擬中，對TMD的參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，研究了其對屋蓋風振響應(yīng)的控制效果。結(jié)果表明，在特定的風況下，TMD能夠進一步減小屋蓋的振動響應(yīng)，與粘滯阻尼器協(xié)同工作，能夠更好地發(fā)揮風振控制作用。通過實際監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，對風振控制措施的效果進行了驗證。在體育場建成后的運營過程中，安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測屋蓋的振動響應(yīng)。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在各種風況下，屋蓋的振動響應(yīng)均在設(shè)計允許范圍內(nèi)，風振控制措施有效地保障了結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。這不僅為體育場的長期穩(wěn)定運行提供了保障，也為其他類似工程的風振控制設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗和參考。5.2越南廣寧體育場5.2.1工程簡介越南廣寧體育場坐落于越南廣寧省，是該地區(qū)重要的體育賽事和活動舉辦場所。體育場規(guī)模宏大，長約250米，寬約230米，其主看臺上方設(shè)有相同的雙側(cè)懸挑屋蓋，這種對稱的懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅為觀眾提供了良好的觀賽視野，也在建筑美學(xué)上增添了獨特的韻味。主看臺上方屋蓋主體桁架最大高度達43米，最大懸挑長度可觀，在當?shù)氐慕ㄖY(jié)構(gòu)中具有顯著的代表性。屋蓋結(jié)構(gòu)采用空間管桁架體系，通過主桁架、次桁架和支撐系統(tǒng)的協(xié)同作用，共同承擔屋面荷載以及風荷載等外部作用。主桁架采用箱型截面，這種截面形式具有較高的抗彎和抗扭剛度，能夠有效地抵抗風荷載引起的各種內(nèi)力。次桁架則采用圓管截面，圓管截面在承受軸向力和較小的彎矩時具有較好的力學(xué)性能，同時其造型簡潔，與主桁架的搭配相得益彰。支撐系統(tǒng)由圓管和型鋼組合而成，進一步增強了屋蓋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保在各種工況下屋蓋能夠保持良好的工作性能。體育場所在地區(qū)的氣候條件對風振分析有著重要的影響。廣寧省屬于熱帶季風氣候，夏季受西南季風影響，風勢較為強勁，且常伴有暴雨等惡劣天氣，這使得體育場懸挑屋蓋在夏季面臨較大的風荷載挑戰(zhàn)。冬季雖然風力相對較小，但在冷空氣南下時，也可能出現(xiàn)短時強風，同樣會對屋蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計，該地區(qū)年平均風速約為4m/s，最大風速可達28m/s以上，在進行體育場懸挑屋蓋風振分析時，需要充分考慮這些氣象條件，以確保結(jié)構(gòu)在各種風況下的安全性和穩(wěn)定性。5.2.2風振響應(yīng)計算分析為了深入了解越南廣寧體育場懸挑屋蓋在風荷載作用下的風振響應(yīng)特性，采用了先進的計算方法和技術(shù)進行分析。在風振響應(yīng)計算中，考慮了屋蓋多個振型的影響，因為對于大跨屋蓋結(jié)構(gòu)，單一振型往往無法全面反映結(jié)構(gòu)的振動特性，多個振型的耦合作用對風振響應(yīng)有著重要的影響。利用風洞試驗獲取屋蓋表面的脈動風壓時程數(shù)據(jù)。在風洞試驗中，制作了幾何縮尺比為1/200的剛性模型，模型材料選用鋼材、木材、紫銅管和高分子塑料板材，以保證模型的剛度和表面粗糙度符合試驗要求。在屋蓋表面布置了大量的壓力傳感器，共設(shè)置了18個風向角，風速范圍為6m/s-30m/s，涵蓋了該地區(qū)可能出現(xiàn)的各種風況。通過同步采集屋蓋表面的風壓數(shù)據(jù)，得到了不同風向角下屋蓋表面的平均風壓系數(shù)和脈動風壓系數(shù)。結(jié)果顯示，屋蓋表面的風壓分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，在懸挑前緣和角部區(qū)域，風壓系數(shù)顯著增大。在某些特定風向角下，懸挑前緣的負壓峰值可達-2.8左右，這對屋蓋的結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成了較大的威脅。在背風面和側(cè)風面，也存在較大的負壓區(qū)域，容易導(dǎo)致屋蓋圍護結(jié)構(gòu)的破壞。基于風洞試驗數(shù)據(jù)，運用完全二次方結(jié)合法（CQC）進行風振響應(yīng)計算。CQC法能夠考慮振型之間的相關(guān)性，對于復(fù)雜的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)計算具有較高的準確性。通過建立屋蓋結(jié)構(gòu)的有限元模型，將風荷載時程作為輸入，計算得到屋蓋各結(jié)點在不同方向上的位移響應(yīng)、加速度響應(yīng)以及桿件的內(nèi)力響應(yīng)。計算結(jié)果表明，屋蓋的風振響應(yīng)在不同風向角和風速下呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律。在某些風向角下，屋蓋的豎向位移響應(yīng)較大，這可能會影響屋蓋的正常使用和結(jié)構(gòu)的安全性；在其他風向角下，屋蓋的水平位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)較為突出，需要重點關(guān)注。通過對風振響應(yīng)計算結(jié)果的分析，總結(jié)出屋蓋風振響應(yīng)的特點和規(guī)律。屋蓋的風振響應(yīng)與風向角密切相關(guān)，不同風向角下的風振響應(yīng)大小和分布存在明顯差異。風速的增加會導(dǎo)致屋蓋風振響應(yīng)的顯著增大，且風振響應(yīng)的增長幅度與風速的平方近似成正比。屋蓋的自振頻率和振型對風振響應(yīng)也有著重要的影響，當風荷載的頻率成分與屋蓋的自振頻率接近時，會發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致風振響應(yīng)急劇增大。5.2.3風振控制方案實施針對越南廣寧體育場懸挑屋蓋的風振問題，制定了全面且針對性強的風振控制方案，并嚴格按照方案實施，以確保屋蓋結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的安全性和穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，對屋蓋結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。通過合理調(diào)整主桁架和次桁架的布置，增加了結(jié)構(gòu)的冗余度，提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性。優(yōu)化了支撐系統(tǒng)的布置方式，使支撐能夠更好地傳遞風荷載，減小結(jié)構(gòu)的變形。在屋蓋的關(guān)鍵部位，如懸挑前緣和角部，采用了加強措施，增加了構(gòu)件的截面尺寸和強度，以提高這些部位的抗風能力。采用粘滯阻尼器作為主要的風振控制裝置。粘滯阻尼器具有耗能能力強、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，能夠有效地減小結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點和受力情況，在屋蓋的主桁架和次桁架上合理布置了粘滯阻尼器。通過數(shù)值模擬和試驗研究，確定了粘滯阻尼器的最佳參數(shù)，包括阻尼系數(shù)和速度指數(shù)等。在風洞試驗和數(shù)值模擬中，對比了安裝粘滯阻尼器前后屋蓋的風振響應(yīng)。結(jié)果顯示，安裝粘滯阻尼器后，屋蓋的最大位移響應(yīng)降低了約32%，加速度響應(yīng)也明顯減小，有效提高了結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性。在屋蓋的設(shè)計中，考慮了調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）的應(yīng)用。TMD通過調(diào)整自身的質(zhì)量和剛度，使其自振頻率與結(jié)構(gòu)的主要共振頻率相匹配，從而吸收結(jié)構(gòu)的振動能量，減小風振響應(yīng)。在數(shù)值模擬中，對TMD的參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，研究了其對屋蓋風振響應(yīng)的控制效果。結(jié)果表明，在特定的風況下，TMD能夠進一步減小屋蓋的振動響應(yīng)，與粘滯阻尼器協(xié)同工作，能夠更好地發(fā)揮風振控制作用。在實施風振控制方案后，通過實際監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，對控制效果進行了評估。在體育場建成后的運營過程中，安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測屋蓋的振動響應(yīng)。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在各種風況下，屋蓋的振動響應(yīng)均在設(shè)計允許范圍內(nèi)，風振控制措施有效地保障了結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。這不僅為體育場的長期穩(wěn)定運行提供了保障，也為其他類似工程的風振控制設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗和參考。5.3某小型體育場案例5.3.1項目特點某小型體育場位于城市郊區(qū)，場地較為開闊，周邊建筑物較少。該體育場懸挑屋蓋采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，平面形狀呈不規(guī)則多邊形，懸挑長度在15-20m之間，懸挑高度約為10m。屋蓋的獨特設(shè)計旨在為觀眾提供更好的觀賽視野，但也帶來了一系列風振問題。由于體育場位于開闊場地，周圍無遮擋，風在到達體育場時基本保持自然狀態(tài)，風速較大且脈動特性明顯。這種開闊場地的風環(huán)境使得懸挑屋蓋受到的風荷載更為復(fù)雜，風振響應(yīng)也更為顯著。不規(guī)則多邊形的平面形狀導(dǎo)致屋蓋表面的氣流流動極為復(fù)雜，氣流在屋蓋表面發(fā)生分離、再附以及漩渦脫落等現(xiàn)象，使得屋蓋表面的風壓分布極不均勻。在屋蓋的拐角處和懸挑前緣，風壓系數(shù)明顯增大，局部區(qū)域出現(xiàn)較大的正壓和負壓峰值，這對屋蓋的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性提出了嚴峻挑戰(zhàn)。較小的懸挑長度和高度雖然在一定程度上降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，但也使得屋蓋的剛度相對較小，自振頻率較低，容易受到風荷載的激勵而產(chǎn)生較大的振動響應(yīng)。在強風作用下，屋蓋的振動不僅會影響結(jié)構(gòu)的安全性，還可能對觀眾的舒適度造成影響。由于體育場主要用于舉辦小型體育賽事和社區(qū)活動，對觀眾的舒適度要求較高，因此風振控制成為該項目設(shè)計和建設(shè)過程中的關(guān)鍵問題。5.3.2風振控制設(shè)計思路針對該小型體育場懸挑屋蓋的風振問題，采用了以被動控制為主、結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計思路。在被動控制方面，選用粘滯阻尼器作為主要的減振裝置。粘滯阻尼器具有耗能能力強、響應(yīng)速度快、構(gòu)造簡單等優(yōu)點，能夠有效地減小結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的動力特性和受力情況，通過數(shù)值模擬和理論分析，確定了粘滯阻尼器的最佳布置位置和參數(shù)。將粘滯阻尼器布置在屋蓋的主桁架和次桁架的關(guān)鍵節(jié)點處，這些節(jié)點在風振過程中受力較大，通過在這些位置安裝粘滯阻尼器，可以充分發(fā)揮其耗能作用，有效地減小結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。在確定粘滯阻尼器的參數(shù)時，考慮了結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比以及風荷載的特性，通過優(yōu)化阻尼系數(shù)和速度指數(shù)等參數(shù)，使粘滯阻尼器的性能與結(jié)構(gòu)的風振特性相匹配，達到最佳的減振效果。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，對屋蓋的結(jié)構(gòu)形式進行了改進。增加了主桁架的截面尺寸，提高了主桁架的抗彎和抗扭剛度，從而增強了屋蓋的整體剛度。合理布置了支撐系統(tǒng)，使支撐能夠更好地傳遞風荷載，減小結(jié)構(gòu)的變形。在屋蓋的懸挑前緣和拐角處，采用了加強措施，增加了局部的結(jié)構(gòu)強度，以應(yīng)對較大的風荷載。通過這些結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，不僅提高了屋蓋的結(jié)構(gòu)性能，