摘要：本文研究索膜结构在强风作用下的瞬态动力响应，针对强风在短时内脉冲式激励的特点，根据Davenport谱模拟生成强脉动风荷载，进行结构脉动瞬态动力响应分析。为增加结构稳定性，提出结构应采取相应抗风加固防护措施，并对索膜结构改进前后进行对比分析，做出数据统计并分析其特性，对索膜结构振动进行谱密度分析并得出有益结论。
关键词：索膜结构；瞬态动力响应分析；强风作用
Abstract: This paper study strongwind-induced transient dynamic response analysis of cable and fabric structure.Aiming at strongwind’s pulsant invigorative characteristic in short time,from Davenport chart I simulate strong pulsant wind load,and analyse pulsant transient dynamic response.In order to increase stability of structure,I put forward that structure should been adopted correspond resistant wind reinforce defendable measure,and put up parallel analysis between original structure and advanced structure.From statistical average data,I analyse structure movement’s characteristic,and I put up chart density analysis of cable and fabric structure and draw some conclusion.
Key words:cable and fabric structure；transient dynamic response analysis；strong wind-induced
中图分类号：P425.4+7文献标识码：A 文章编号：
0引言
索膜结构质量轻、刚度小、跨度大，属于风敏感结构。近年来，我国南方沿海一带城市频繁遭受强热带风暴影响，周围城市频繁遭遇台风袭击，城市建筑在强风作用下遭受某种程度破坏，索膜结构在强风作用下结构发生较大变形，结构局部发生剧烈振动，严重时会造成上掀撕裂破坏和颤振失稳破坏，目前对于索膜结构在强风作用下的破坏机理、动力响应控制方法、结构设计方法的研究工作正成为热点问题。
本文针对强风激励特性，根据Davenport谱模拟生成强风脉动风荷载，对索膜结构进行瞬态动力时程响应分析，根据所得时程响应曲线做出分析，针对结构变形过大，振动剧烈破坏现象，采取抗风加固措施对原始结构进行改进，并对索膜结构改进前后对瞬态动力时程对比分析。
1索膜结构风工程及动力响应分析理论
1.1热带气旋
热带气旋是阳光照射海面，水汽上升，热低压区和稳定的高压区气压差产生空气流动，由于平衡产生相互补充的力使之成为螺旋状流动，直径可达600~1000公里，漩涡中心为“风眼”。
1.2瞬态动力响应分析
瞬态动力学分析结构的运动特性，包括各种运动或爆破等问题的分析。瞬态动力分析又称为时间历程分析，用来确定结构在随时间变化的荷载作用下的动力响应，可以用它来分析随时间变化的位移、应变、应力以及外荷载随意组合所产生的结构响应。
瞬态动力学求解的基本运动方程
(1)
其中M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；为节点加速度向量；为节点速度向量；u为节点位移向量；F(t)为力向量。
和静力学分析方程不同的是，方程中多了质量矩阵和阻尼矩阵，并且引入了位移矢量微分项，对于任意时刻t，方程组可以看作是添加惯性力和阻尼的静力学平衡方程。ANSYS采用New-mark时间积分方法在离散的时间点和空间网格上求解方程组(1)。瞬态动力学可采用完全法、缩减法、模态叠加法进行求解，本文采用完全法进行瞬态动力响应求解。
1.3谱分析
谱分析是将模态分析的结果与一个已知的谱联系起来计算结构的位移和应力的方法。这里的谱是谱值（通常是位移）与频率的关系曲线，它反映了时间-历程载荷的强度和频率信息。谱分析不同于瞬态动力分析的是确定结构在随机荷载或者随时间变化复杂的荷载（例如风荷载）作用下的动力响应。
（1）响应谱分析。分为单点响应谱和多点响应谱。单点响应谱分析（SPRS）是只在模型的一个点集上定义一条或一组响应谱曲线。响应谱是位移、速度、加速度和力等响应与频率之间的关系。多点响应谱分析（MPRS）是在模型的不同点集上定义不同的响应谱曲线。
（2）动力设计分析：应用一系列经验公式和现成的振动设计表得到的谱来分析系统。
（3）功率谱密度分析：功率谱密度是结构对随机动力载荷响应的概论统计，用于随机振动分析，是功率谱密度-频率的关系曲线。有位移、速度、加速度和力功率谱密度等形式。
2瞬态动力响应分析算例
以深圳大学体育场看台挑篷索膜结构为例，对结构施加时程t=10s，时间步长s，平均风速=25m/s脉动风荷载，进行结构瞬态动力响应分析，本例仅列出代表性节点时程曲线，并对时程曲线做均值统计分析。
为了缓解强风激励下的结构振动响应，本文试采取将膜面弹性模量增加至455MPa、将膜面初始预应力增加至4MPa并添加加强索的措施，经过时程统计分析，可以得到良好抗风及稳定结构效果。
索膜结构以比结构自振频率还低的低频振动为主，有若干阶振型参与风振，高阶振型对风振也存在一定的影响。索膜结构的振动分为两个部分即低频部分和高频部分，低频部分主要是由风载的强迫振动产生，体现了风的振动频率；而高频部分主要由共振产生，体现了结构的自振特性。
3结论
索膜结构在强风作用下会产生较大位移变形、产生剧烈振动，为提高结构稳定性，采取选择高强膜材、增添加劲索、提高初始预应力等抗风加固措施。由本文中分析可以得出强风作用下结构运动特性和所采取加固措施有效性：
（1）在短时强风作用下，索膜结构会产生剧烈颤振现象，局部振动剧烈。结构迎风面有较大位移；结构竖向有较剧烈振动现象。
（2）为增加结构稳定性，采取增加初始预应力、增添加强索等抗风措施，从表2、表3对比分析中可知，结构改进后起到了良好的抗风效果。
（3）加强索不会限制结构初始阶段瞬态振动，但可以使结构较快进入平稳振动阶段，即可使结构较快平衡，而增加膜、索初始预应力也会增加结构稳定性，不过存在小范围颤振现象，对结构的预应力损失会有所影响。
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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。