预应力扇形雕塑结构的风致疲劳性能研究

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扇形雕塑结构与高层建筑结构不同,其外形扇底“小”,扇顶“大”,结构的布置极其不规则,受力情况也不利。风荷载的作用可能使得扇形雕塑结构因疲劳损伤的累积导致结构疲劳破坏。因此对扇形雕塑结构的风致疲劳性能研究具有相应的理论意义和工程应用价值。本文以格萨尔王雕像为工程背景,雕塑的背光扇形结构为研究对象,分析了该扇形雕塑结构的疲劳性能,主要研究工作和结论如下:(1)基于格萨尔王雕像背光扇形的建筑方案造型特征,采用Auto CAD和SAP2000建立与实际构造相近的三维模型,并对结构施加500MPa、650MPa和800MPa三种不同预应力并进行模态分析,分析表明这三种不同预应力的大小对本结构的频率、周期和振型的影响较小。(2)对预应力扇形结构的风荷载体型系数进行分析,使用FLUENT软件对平均风进行数值风洞模拟,获得结构各质点的平均风数据,进一步求得结构的风荷载体型系数。(3)在线性滤波法的基础上,采用MATLAB对脉动风进行时域分析,获得脉动风的风速时程曲线,并通过傅里叶变换得到符合Karman谱的脉动风风速功率谱。随后将脉动风和平均风叠加得到结构的风压时程曲线。(4)在SAP2000中对模型进行风振响应分析发现柱脚为扇形结构中的薄弱位置,采用Miner线性积累损伤理论和雨流计数法,并通过钢结构规范提供的S-N曲线,计算得500MPa拉索预应力下薄弱位置的疲劳损伤值并估算其疲劳寿命。(5)同时评估500MPa、650MPa和800MPa三种不同预应力下的扇形结构柱脚位置的疲劳寿命,经过应力时程、内力的比对,发现由于预应力对结构内力调整的作用小于风荷载引起的内力作用,因此在500-800MPa之间调整预应力对结构的疲劳寿命影响较小。文中研究成果可以为预应力扇形雕塑结构的风致疲劳分析提供参考,为相关设计人员提供设计依据。
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