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钢结构(中英文),39(2),50-57(2024)
DOI:10.3724/j.gjg
ISSN2096-6865
CN10-1609/TF
矩形平面气承式膜结构平均风荷载与风响应特性研究*
武岳1,2张时为3赵军宾1,2
(1.哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室，哈尔滨150090；2.哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨150090；
3.中建一局集团第三建筑有限公司，北京100161)
摘要气承式膜结构是典型的风敏感结构，在风荷载作用下膜面会产生较大变形，抗风问题是制约膜结构发展的重要因素。
为了研究矩形平面气承式膜结构的风荷载特性，设计并制作了6个不同的刚性模型，利用尖劈、粗糙元和锯齿挡板对A、B、C
共3类地貌进行模拟，在大气边界层风洞中进行了矩形平面气承式膜结构刚性模型测压试验，分析了风向、矢跨比、长宽比以
及地面粗糙度等因素对结构表面平均风压分布的影响，并计算了结构在不同风向角下的风力系数。基于风洞试验获得的风荷载
数据，在有限元软件ABAQUS中对原型尺寸的矩形平面气承式膜结构进行了风振响应分析，膜面选用M3D4R单元建模，拉索
选用T3D2单元建模，研究了不同风向角下结构的平均风响应特性，总结了风荷载作用下膜面的位移及应力分布规律，确定了
出现位移极值及应力极值的位置，最后提出了适用于矩形平面气承式膜结构的风荷载体型系数分区方案，并给出了不同分区的
建议取值。研究表明：矩形平面气承式膜结构的平均风压系数受风向和结构长宽比的影响较大，受地面粗糙度影响较小；长宽
比越小，上吸区的风压越小；随矢跨比增加，迎风区正风压系数增加，上吸区负风压减小；0°风向角下矩形平面气承式膜结构
的风力系数最大；0°及45°风向角下，矩形平面气承式膜结构的迎风面及顶部变形较大，90°风向角下迎风面变形较大而顶部变
形较小；0°及90°风向角下，结构两侧与中部连接的凸起部位应力较大，45°风向角下迎风面拐角处出现明显褶皱并伴随应力集
中；0°风向角下位移及应力均最大，90°风向角下位移及应力均最小；建议0°和90°风向角下矩形平面气承式膜结构风荷载体型
系数采用5分区形式，45°风向下采用7分区；0°及90°风向角下结构分区风荷载体型系数受矢跨比影响明显，45°风向下结构分
区风荷载体型系数受长宽比影响明显。
关键词气承式膜结构；风洞试验；非线性有限元分析；平均风响应；分区风荷载体型系数
0引言在膜结构风荷载特性研究方面，国内外学者已开
气承式膜结构简称气膜结构，通过在内部充气使结Newman等[2]
展了一些工作。通过刚性模型测压试验研究
构具有一定的刚度。相较于传统的刚性建筑，气膜结构了3个不同高跨比的球面充气膜的风荷载分布特性，
给出了风压分布等值线图。Kawamura等[3]
具有施工快、造价低、密闭性好等优点，被广泛应用于通过测压试
体育场馆、防污染物扩散的仓储建筑、展览馆(图1)等。验，获得了不同矢跨比的球面、柱面充气膜屋盖的动
这种轻柔结构易受到风荷载的影响，在风荷载作用下会力风荷载，研究了平均风压系数、脉动风压系数的分
出现较大的变形和振动，风荷载是其结构设计中的控制布规律和升力系数、阻力系数随风速变化规律。Toy
等[4]
荷载[1]研究了截面尺寸、长宽比对圆柱面屋盖风荷
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