本文是一篇结构工程论文，本文以半月拱形体育场结构的风洞试验数据为基础，主要对大跨度屋盖表面平均风荷载特性、非高斯特性和风致响应进行了研究，讨论了屋盖在开孔前后的风荷载分布、作用机理、相关性以及屋盖开孔前后位移响应、加速度响应等的影响。
第 1 章 绪论
1.1 引言
建筑材料的发展对空间结构体系的发展起着重要的作用，大跨度建筑结构由最早使用石头、木材来建造薄板梁、桁架结构梁以及拱结构等平面结构体系发展到后面利用具有轻质高强的钢材来建造屋盖的空间结构体系，其大跨度屋盖的发展见图 1.1 所示。如今，超过 150m 以上超大跨建筑已经不再是个别案例，现已有的大跨度体育场分为两种：一是常规的封闭式大跨度屋盖；二是开敞式大跨度屋盖；无论是哪一类大跨度屋盖，它们均具有阻尼小、频率低、柔性较大且传力路径较为复杂的特点。作为风敏感结构的大跨度屋盖结构，其设计参数若选取不当很容易引起结构风致破坏的发生。然而，开敞式大跨度建筑独特的气动外形和结构形式使得中国、日本、澳大利亚以及美国等现有的规范并不完全适用以及各个设计院的研究资料尚不能完全满足此类大跨度建筑的设计需要。
图1.1 大跨度屋盖结构发展史
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1.2 研究背景及意义
许多国内外的统计资料表明，在各自然灾害中风灾对建筑结构造成的损失最为严重[1][2][3][4]，其中表 1.1 为 1950 年至 1999 年重大自然灾害统计表，由此表可以看出，自然灾害发生的频率逐渐增加，对生命、财产造成的威胁与损失也在逐年增加。因此，如何准确、有效的对风荷载取值的确定来进一步减小风荷载导致灾害发生的可能性，成为了当代结构工程师的首要认为之一。
开敞式大跨屋盖结构作为新一类新颖的空间结构体系，其结构性能具有跨度大、柔度较大等区别于传统结构的特点。随着建筑技术的不断发展，建筑结构形式越来越多样化，人们对于建筑形态要求也越来越高，开敞式大跨度结构运用也越来越广泛，譬如体育场、加油站、干煤棚等公共建筑，如图 1.2 为国内外造型独特的开敞式大跨度体育场。此类建筑往往受到上下两个面的合力作用，其风荷载作用机理较为复杂。
正是由于此类建筑的这些特点，使得它们在风荷载作用下发生破坏的例子数见不鲜（如图 1.3 所示）。1988 年蒙特利尔体育馆在 19m/s 风速下，结构局部区域响应值达到了 5m 后发生破坏；1989 年，美国的 Hugo 飓风肆虐，使得灾区近半的建筑物屋盖受损，其灾害之重乃至于有整个屋盖被掀翻的现象发生[5]；Kolousak[6]在研究中提及到跨度为66.5m×53.4m 的游泳馆屋盖在多次强风下蒙皮被掀起而发生局部破坏；1999 年日本的云穹顶在台风作用下屋盖出现破损；2002 年韩国的世界杯体育场由于受到台风频繁作用，致使屋盖部分蒙皮被掀起，受损严重；2014 年南宁某加油站在台风来临时蒙皮未发生变化，导致受到风荷载过大而发生整体倒塌。以上建筑结构遭受到风荷载的作用发生破坏说明：风灾对大跨度结构影响巨大，对人类财产安全造成了巨大的威胁，需要人们进一步探讨湍流对大跨度屋盖结构机理的影响，提出有效的减风、抗风措施来保证结构的安全性尤为重要。
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第 2 章 半月拱形屋盖平均风荷载特性
2.1 引言
大跨度体育场一般为跨度较大、采用轻质材料的典型的风敏感结构，特别是对于开敞式大跨悬挑体育场而言，该类屋盖结构往往有两个受风面，其受到的特征湍流较为复杂，因此，准确的获得体育场屋盖的风荷载作用机理显得尤为重要。目前，获取建筑结构风荷载的方法包括数值模拟、风洞试验以及现场实测，本章针对开敞式大跨度半月拱形屋盖体育场采用其中1种方法（风洞试验），主要对该类体育场有无开孔两种工况下的刚性模型风洞试验的工程概况参数设置进行了详细的说明，并基于风洞试验风压时程数据，对该体育场屋盖进行了分区处理和进行了平均风荷载特性分析。平均风荷载特性主要包括两个方面：一是在典型风向角下屋盖开孔前后各分区体型系数分析；二是屋盖开孔前后上、下表面的平均风压系数分析。
章丘市体育公园综合体-体育场位于山东省济南东部的章丘市，该综合体-体育场由一个体育场和两个体育馆组成，体育场包含了东西两个半月拱形看台挑棚，其中东侧看台挑棚较小，挑蓬长度为172m，最高点为30m；西侧看台挑棚较大，挑蓬长度为260m，其建筑顶部最高处约50m。该拟建的开敞式大跨度体育场主要由上部悬挑钢桁架和下部混凝土柱组成。由于该类体育场受到风荷载情况较为复杂，为了更好对该体育场进行风荷载的研究，对其进行了刚性模型的风洞试验。图2.1为该体育场建筑效果图。
图 2.1 综合体-体育场建筑效果图
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2.2 工况设置
本文主要针对风荷载作用下开敞式大跨度体育场屋盖在有无开孔情况下的风荷载特性进行风洞试验研究，工况参数说明见表 2.1 所示。表中工况 B 有 10 个圆形孔洞，分别位于西侧屋盖悬挑端部跨中位置的两侧，孔洞均距离屋盖悬挑端部边缘 5m，孔洞与孔洞之间间距为 13m。
表2.1 工况参数说明
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第 3 章 半月拱形屋盖风压的非高斯特性 ................................... 21
3.1 引言.......................................... 21
3.2 脉动风荷载特性 ...................................... 21
第 4 章 半月拱形屋盖风致响应分析 ........................... 45
4.1 引言.......................................... 45
4.2 时程分析基本原理 .................................... 45
第 5 章 结论与展望 ............................... 65
5.1 主要结论 ............................... 65
5.1.1 大跨度屋盖平均风荷载特性 ............................................ 65
5.1.2 大跨度屋盖脉动风荷载特性 ........................................... 65
第 4 章 半月拱形屋盖风致响应分析
4.1 引言
一般结构的自振频率越接近风荷载的卓越频率时，建筑结构越容易产生共振，其风振效应也越明显。研究表明[68]，脉动风荷载的卓越频率一般为 0.05HZ，而大跨度建筑结构的自振频率范围在 0.05-1HZ 之间，不难看出，对大跨度建筑结构的风振响应分析显得尤其重要。目前，对于结构的风致响应分析主要通过时域法和频域法来进行研究。如今，工程上主要采用频域法对实际建筑结构进行结构动力特性分析，但对于大跨度这类具有自振频率低且密集、阻尼小、结构柔的结构，如何考虑多少阶振型参振成为了准确获取结果的关键问题，但是目前尚未明确对于参振阶数的选取提供明确的理论支撑。因此，按照这种方法进行计算的结果于实际的风振响应存在差距，也不一定能够保证按照该计算结果设计的结构安全。相比时域法，它具有和实际风振接近，精度高等特点。但进行时程分析法，多于计算机配置的要求高，计算时间长。随着计算机领域的发展和随机振动理论的完善和优化，目前，时域法对大跨度空间结构的设计运用也越来越广泛。
图 4.1 时程分析法流程图
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第 5 章 结论与展望
5.1 主要结论
本文以半月拱形体育场结构的风洞试验数据为基础，主要对大跨度屋盖表面平均风荷载特性、非高斯特性和风致响应进行了研究，讨论了屋盖在开孔前后的风荷载分布、作用机理、相关性以及屋盖开孔前后位移响应、加速度响应等的影响，本章对本文研究内容从以下三个方面进行总结。
5.1.1 大跨度屋盖平均风荷载特性
（1）平均综合风压系数随着风向角的变化而发生变，其中在 30°、60°风向角下表现为负风压最大，最大值分别为-1.49、-1.68；240°、270°风向角下呈现最大正压，其最大正压值为 0.24、0.26，由于正压值远小于负压系数绝对值，故 30°、60°为最不利风向角，对结构最为不利。
（2）屋盖开孔前后各区域体型系数分布规律相似，最大负压体型系数主要分布于悬挑端部跨中位置附近；对比开孔前后各区域体型系数，屋盖开孔后对于负压体型系数较大区域减小效果明显，最大减小率达 20.55%。
（3）当来流风逆坡面作用于屋盖时，在迎风前缘气流的分离作用较大，故大跨度屋盖上表面主要以负压为主；屋盖下表面由于下部看台结构的阻挡，加速了气流的流动，抑制了气流在屋盖表面的分离，下表面呈现较小的正压，使屋盖迎风前缘形成“上吸下顶”的情况，此时屋盖表面受到一个叠加的向上的力，使得屋盖迎风前缘出现负高压区。
5.1.2 大跨度屋盖脉动风荷载特性
（1）开敞式大跨度屋盖受钝体效应作用，具有脉冲信号较强非高斯性的测点主要集中于屋盖迎风前缘位
