脈動(dòng)風(fēng)荷載時(shí)程數(shù)值模擬研究

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1、試驗(yàn)研究文章編號：1009-9441（2014）05-0005-03脈動(dòng)風(fēng)荷載時(shí)程數(shù)值模擬研究①□□陳穎，陳小兵，何微（廣東理工職業(yè)學(xué)院，廣東廣州510091）摘要：在工程結(jié)構(gòu)日趨大型化、復(fù)雜化、超高超限化的今隨機(jī)，會(huì)引起建筑結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)。通常用功天，建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的研究受到學(xué)術(shù)界、工程界的關(guān)注和率譜和相關(guān)函數(shù)這兩個(gè)函數(shù)來描述脈動(dòng)風(fēng)。重視，數(shù)值模擬方法生成脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程對于掌握結(jié)構(gòu)風(fēng)振特1.1常用風(fēng)速功率譜性、減少風(fēng)致災(zāi)害有很好的幫助作用。介紹了近地表層風(fēng)場脈動(dòng)風(fēng)的風(fēng)速功率譜主要反映脈動(dòng)風(fēng)中各種頻的基本特性，闡述了實(shí)際工程應(yīng)用過程中的線性濾波法和諧率成分對應(yīng)

2、的能量分布規(guī)律。按方向可分為水平脈波疊加法模擬脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程的原理，重點(diǎn)對諧波疊加法模擬脈動(dòng)風(fēng)速功率譜和垂直脈動(dòng)風(fēng)速功率譜，目前使用最動(dòng)風(fēng)速時(shí)程的數(shù)學(xué)形成過程進(jìn)行了研究。［7］廣泛的是水平風(fēng)速功率譜，其中Davenport譜、關(guān)鍵詞：脈動(dòng)風(fēng)荷載；功率譜；諧波疊加法；線性濾波法［8］中圖分類號：TU318文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AHarris譜不考慮湍流積分尺度隨高度的變化情［8］［9］［8］況，而Simiu譜、Hino譜、Kaimal譜等考慮了引言近地表層不同高度時(shí)湍流積分尺度的變化。風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所需考慮的一類重要的隨上述各種常用水平風(fēng)速譜的表達(dá)式見（1）式至機(jī)動(dòng)力荷載。

3、與地震作用相比，高層、超高層建筑、（11）式，其中Davenport譜也是GB50009—2012《建［10］高聳結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)等在風(fēng)荷載作用下的效應(yīng)，對筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》采用的水平脈動(dòng)風(fēng)譜。結(jié)構(gòu)的安全性和適用性甚至起著決定性的影響。在Davenport譜：2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算考慮風(fēng)荷載時(shí)，除了在平均風(fēng)作用下-2xS（f）=4kv（1）v1024/3f（1+x）對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算外，有時(shí)還需對脈動(dòng)風(fēng)荷［1］1200f載下建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。對于重要x=（2）-v的結(jié)構(gòu)，通常采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法來測試其動(dòng)力響10Harris譜：應(yīng)，但風(fēng)洞試驗(yàn)方法耗時(shí)耗資巨大，

4、目前尚無法在工-2x程設(shè)計(jì)分析領(lǐng)域中普遍使用。而通過計(jì)算機(jī)模擬脈S（f）=4kv（3）v1024/3f（2+x）動(dòng)風(fēng)荷載，可以很好地幫助工程人員掌握實(shí)際工程1800f結(jié)構(gòu)的風(fēng)振特性。事實(shí)上，考慮到在實(shí)際的大氣邊x=-（4）v10界層紊流風(fēng)場中，脈動(dòng)風(fēng)速不僅是時(shí)間的函數(shù)，而且Simiu譜：隨空間位置而變化，是一個(gè)隨機(jī)場，數(shù)值模擬方法反2cS（z，f）=200v（5）而比實(shí)際記錄更具有代表性，因而在實(shí)際工程中被v5/3f（1+50c）［2-6］廣泛使用。zfc=（6）-α1風(fēng)場的基本特性v1（0z/10）當(dāng)c>0.2時(shí)，?。捍髿庵袣饬鞯倪\(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。根據(jù)大量的風(fēng)場實(shí)

5、12S（vz，f）=0.26v2/3（7）測資料可知，在風(fēng)的順風(fēng)向時(shí)程曲線中包含脈動(dòng)風(fēng)fc和平均風(fēng)兩部分。平均風(fēng)周期通常在10min以上，Hino譜：對建筑結(jié)構(gòu)的作用可按靜力考慮，而脈動(dòng)風(fēng)周期通kx-211S（vz，f）=6kv1025/6（8）常只有幾分之一秒，且其速度和運(yùn)動(dòng)方向在時(shí)空上（1+x1）①基金項(xiàng)目：廣東開放大學(xué)/廣東理工職業(yè)學(xué)院校內(nèi)科研課題（1207）。建材技術(shù)與應(yīng)用5/2014·5·3/α1-4αk（z/10）f（AR）、滑動(dòng)平均法（MA）和滑動(dòng)自回歸平均法x=5344.341（9）13-αv10（ARMA）；諧波疊加法是基于譜分解和三角級數(shù)疊

6、Kaimal譜：加求和來模擬脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程，如常數(shù)波疊加法2h（CAWS）和加權(quán)波疊加法（WAWS）。S（z，f）=200v（10）v5/3f（1+50h）2.1線性濾波法fz線性濾波法也稱為白噪聲濾波法或時(shí)間系列h=（11）-vz法，其基本思想是將均值為零的白噪聲隨機(jī)序列通2式中：S（f）及S（z，f）為脈動(dòng)風(fēng)速功率譜，m/s；f為vv過濾波器，使其輸出具有指定譜特征的隨機(jī)過程。--脈動(dòng)風(fēng)頻率，Hz；v和v分別為z和10m高度處平z10若采用線性濾波法的ARMA技術(shù)，在白噪聲w（f）均風(fēng)速，m/s；v為摩擦速度；k和α為表示地表粗糙激勵(lì)下，滑動(dòng)自回歸平均模型的

7、輸出為x（f），則模度情況的參數(shù)，k一般取常數(shù)0.4751。［12］1型輸入及輸出關(guān)系的時(shí)域表達(dá)可寫成：1.2脈動(dòng)風(fēng)相關(guān)性pq（xf）+∑a（xf-i）=G?w（f）+∑bw（f-1）?ii在紊流風(fēng)場環(huán)境中，各點(diǎn)之間的風(fēng)速大小及風(fēng)i=1i=1向并不完全一致，甚至是完全無關(guān)的。脈動(dòng)風(fēng)在不（16）同時(shí)間和空間上的相關(guān)程度，在時(shí)域上采用相關(guān)函式中：G為系統(tǒng)增益；ai及bi為模型待定系數(shù)。當(dāng)a=0時(shí)，就成了MA模型；當(dāng)b=0時(shí)，就是AR模數(shù)、在頻域上采用相干函數(shù)來描述。ii相關(guān)函數(shù)分為自相關(guān)函數(shù)R（τ）和互相關(guān)函型。xx［12］數(shù)R（τ）。為了更直觀了解風(fēng)場各點(diǎn)之間相關(guān)

8、性2.2諧波疊加法xz的