一种钢骨架支承式膜结构风致动力响应测量方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了钢骨架支承式膜结构风致动力响应测量方法，包括S1，根据冯

【技术实现步骤摘要】
一种钢骨架支承式膜结构风致动力响应测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及测量领域，尤其涉及一种钢骨架支承式膜结构风致动力响应测量方法及系统。

技术介绍

[0002]建筑膜结构是一种是由高强复合膜材和支承构件通过张拉膜面而形成的一种柔性大跨度空间结构。作为一种新型的建筑结构形式，它以丰富多变的建筑造型、轻盈通透的结构特性、节能环保的低碳理念，迅速发展成为大跨度空间结构领域的重要组成部分。钢骨架支承式膜结构是实际工程中最常用的膜结构形式，占所有膜结构工程的50％以上，广泛应用于机场、停车场和体育馆等大跨度空间结构。
[0003]建筑膜结构具有自重轻、刚度小、自振频率低和小阻尼等特点，在动力荷载作用(如风、风驱雨和冰雹等)下，容易产生大幅度的振动和变形。当膜面应力超过材料极限强度或膜面变形不能满足建筑功能使用要求时，膜面会被撕裂或者被认为结构失效。在膜结构的设计中，一般都以风荷载为主要不利荷载，同时兼并考虑其它不利荷载的消极作用。然而，在严格的抗风设计之后，实际工程中的膜结构仍然会出现在远低于临界失稳风速情况下，结构出现严重的破坏，因此有必要研究膜结构风致动力响应问题以避免安全事故的发生。
[0004]现有的建筑膜结构工程基本都停留在设计和施工阶段，缺乏在服役过程中的动力响应监测。在实际工程中，膜结构在经受强风等恶劣天气后，才对结构进行安全检查，缺乏事前对风荷载产生的动力响应进行安全评估，导致膜结构安全事故频发。由此可见，精确的膜结构风致动力响应测量方法对膜结构的防灾减灾具有重要工程应用意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于公开一种钢骨架支承式膜结构风致动力响应测量方法及系统，解决现目前没有精确测量钢骨架支承式膜结构风致动力响应的方法及系统的问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一方面，本专利技术公开了一种钢骨架支承式膜结构风致动力响应测量方法，包括：
[0008]S1，根据冯
·
卡门大挠度理论和达朗贝尔原理，建立钢骨架支承式膜结构的有阻尼非线性受迫振动的控制方程组；
[0009]S2，利用伽辽金法将其转化为非齐次受迫振动微分方程；
[0010]S3，通过安装在膜结构上的风速计测量风速时程曲线；
[0011]S4，运用EMD法将风速时程曲线分解为时变平均风和平稳脉动风，对曲线拟合获得气动力荷载的数学表达式；
[0012]S5，把钢骨架支承式膜结构的基本参数和气动力荷载的数学表达式代入非齐次受迫振动微分方程，运用经典四阶Runge
‑
Kutta法进行求解，得到钢骨架支承式膜结构风致动力响应的数值解。
[0013]优选地，所述S1包括：
[0014]根据冯
·
卡门大挠度理论和达朗贝尔原理得到钢骨架支承式膜的动态运动方程，式(1)和相容方程，式(2)：
[0015][0016][0017]式中，ρ0表示膜材面密度；c表示粘滞阻尼系数；表示应力函数N
0x
和N
0y
分别表示x和y方向的预张力；w表示位移函数w(x,y,t)；h表示膜材厚度；E1和E2分别为x和y方向的杨氏弹性模量；k
0x
表示在x方向的初始主曲率；P
W
表示气动力荷载。
[0018]钢骨架支承式膜结构相应四边简支的位移和应力边界条件分别为：
[0019][0020][0021]其中，a和b分别表示x和y方向膜的长度。
[0022]将满足边界条件式(3)、式(4)的位移函数和应力函数分离如下：
[0023]w(x,y,t)＝T
mn
(t)
·
W
mn
(x,y)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0024][0025]式中，T
mn
(t)是时间的函数；为给定的模态函数；m和n是分别为x和y方向上的正弦半波数，为正整数；令T
mn
(t)＝T，令W
mn
(x,y)＝W。
[0026]所研究的模型为对称结构，应力函数应为偶函数且满足应力边界条件式(4)，由微分方程的基本理论可求得应力函数的一个解答为：
[0027][0028]式中，
[0029][0030]优选地，所述S2包括：
[0031]将式(5)、式(7)代入式(1)中，并应用伽辽金法转化为：
[0032][0033]优选地，所述S4包括：
[0034]作用在薄膜结构投影面单位面积上的气动力荷载表达式P
W
可表达为：
[0035]P
W
＝
‑
γ1T
″‑
γ2VT
′‑
γ3V2T
‑
γ4V2ꢀꢀꢀ
(9)
[0036]式中，T'、T”分别表示时间函数的一阶导数和二阶导数；
[0037][0038]其中，ξ和η为气流沿膜面拱向时的位置坐标；积分区域S
∈{0≤ξ≤a,0≤η≤b}；ρ
a
为气体密度；f2为x轴上的中跨拱；V为实测风速，通过EMD法将实测风速分解为时变平均风v
a
和平稳脉动风v
f
的叠加，即v
a
＝RES和IMF
i
表示第i个本征模函数,N表示本征模函数的总数,RES表示残差信号函数，IMF表示本征模函数。
[0039]优选地，所述S5包括：
[0040]把气动力荷载表达式(9)代入式(8)，化简可得风致动力响应微分方程：
[0041]T
″
(t)+λ1T
′
(t)+λ2T(t)+λ3T2(t)+λ4T3(t)＝λ5T
′
(t)V(t)+λ6T(t)V(t)2+λ7V(t)2ꢀꢀꢀ
(10)
[0042]式中，
[0043][0044]最后，采用四阶Runge
‑
Kutta法来求解微分方程式(10)，通过求解微分方程式(10)可得到钢骨架支承式膜结构的风致动力响应数值解。
[0045]另一方面，本专利技术还提供了一种钢骨架支承式膜结构风致动力响应测量系统，用于实现一种钢骨架支承式膜结构风致动力响应方法，包括：风速计、钢支架和控制台；
[0046]控制台包括开关控制模块和信号处理模块，开关控制模块分别和风速计、信号处理模块电性连接；
[0047]信号处理模块和风速计连接；
[0048]风速计与钢支架顶端固接；
[0049]钢支架的底端与膜结构的钢骨架固接。
[0050]本专利技术方便快捷，适用范围广，且精度高，实现了对钢骨架支承式膜结构风致动力响应的精确测量。
附图说明
[0051]利用附图对本专利技术作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本专利技术的任何限制，对于本领域本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钢骨架支承式膜结构风致动力响应测量方法，其特征在于，包括：S1，根据冯
·
卡门大挠度理论和达朗贝尔原理，建立钢骨架支承式膜结构的有阻尼非线性受迫振动的控制方程组；S2，利用伽辽金法将其转化为非齐次受迫振动微分方程；S3，通过安装在膜结构上的风速计测量风速时程曲线；S4，运用EMD法将风速时程曲线分解为时变平均风和平稳脉动风，对曲线拟合获得气动力荷载的数学表达式；S5，把钢骨架支承式膜结构的基本参数和气动力荷载的数学表达式代入非齐次受迫振动微分方程，运用经典四阶Runge
‑
Kutta法进行求解，得到钢骨架支承式膜结构风致动力响应的数值解。2.根据权利要求1所述的一种钢骨架支承式膜结构风致动力响应测量方法，其特征在于，所述S1包括：根据冯
·
卡门大挠度理论和达朗贝尔原理得到钢骨架支承式膜的动态运动方程，式(1)和相容方程，式(2)：(1)和相容方程，式(2)：式中，ρ0表示膜材面密度；c表示粘滞阻尼系数；表示应力函数N
0x
和N
0y
分别表示x和y方向的预张力；w表示位移函数w(x,y,t)；h表示膜材厚度；E1和E2分别为x和y方向的杨氏弹性模量；k
0x
表示在x方向的初始主曲率；P
W
表示气动力荷载。钢骨架支承式膜结构相应四边简支的位移和应力边界条件分别为：支承式膜结构相应四边简支的位移和应力边界条件分别为：其中，a和b分别表示x和y方向膜的长度。将满足边界条件式(3)、式(4)的位移函数和应力函数分离如下：w(x,y,t)＝T
mn
(t)
·
W
mn
(x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式中，T
mn
(t)是时间的函数；为给定的模态函数；m和n是分别为x和y方向上的正弦半波数，为正整数；令T
mn
(t)＝T，令W
mn
(x,y)＝W。
所研究的模型为对称结构，应力函数应为偶函数且满足应力边界条件式(4)，由微分方程的基本理论可求得应力函数的一个解答为：式中，3.根据权利要求2所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘长江，黄伟彬，刘坚，郑周练，王星，盘荣杰，孙源君，方暑庭，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：