脉动风场模拟技术的研究与进展

第28卷第6期地　震　工　程　与　工　程　振　动　　　　2008年12月　JOURNALOFEARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGVIBRATIONVol.28No.6　Dec.2008文章编号:1000-1300(2008)06-0206-07

脉动风场模拟技术的研究与进展

张希黔1,2,葛　勇,严春风,晏致涛131

(1.重庆大学土木工程学院,重庆400030;2.中国建筑第三工程局,湖北武汉430070;3.,四川成都610031)

摘　要:通过对脉动风场模拟技术近20,展历程。,术的研究方法出发,分别介绍了谐波合成法现状和所面临的问题,。

关键词:;;小波方法

.文献标志码:A

Advancesinresearchofsimulationtechnologyoffluctuationwindloading

ZHANGXiqian1,2,GEYong,YANChunfeng,YANZhitao131

(1.CollegeofCivilEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China;2.ChinaConstructionThirdEngineering

Division.CORP.LTD,Wuhan430070,China;3.ChengduCityPlanningConservancy,Chengdu610031,China)

Abstract:Accordingtothefluctuatingwindfieldsimulationtechnologyathomeandabroadinthepast20years,asummaryofresearchresultsexpatiatesthedevelopmentprocessofthefluctuationwindfiledsimulationtechnology.Firstofallwegiveabriefingonthecharacteristicsofboundarylayerwindandthestatusquoofthefluctuatingwindfieldsimulationtechnology.Andthen,basedontheresearchofthesimulationtechnologyoffluctuationwindfield,weintroducethecurrentsituationandproblemsofharmonicwavesuperimposingmethod,linearfilteringmethodandwaveletmethod.Finally,weprospectthefutureoftheresearch.

Keywords:windloadingsimulation;harmonicwavesuperimposingmethod;linearfilteringmethod;waveletmethod引言

对于高耸结构、高层建筑结构、大跨度空间结构、大跨桥梁结构及高压输电塔线体系等,风荷载是结构设计时所必需考虑的一类重要的随机动力荷载[1]。由于经典随机振动理论一般是在二阶统计意义上考察随机过程,因而导致在结构非线性风振响应分析与动力可靠度分析中的一系列困难。事实上,为了正确地计算结构的抗风可靠性,应该设法求解结构反应的概率密度分布及其随时间的变化过程。在实际的大气边界层湍流中,脉动风速不仅是时间的函数,而且也随空间位置(x,y,z)而变化,是一个单变量四维(1V-4D)随机场[2]。由于目前条件的限制,现场实测的脉动风速时程信号非常有限,并且项目建成前所取得的短期风速记录资料未能考虑风速的空间相关性。用实测的风速时程进行风振分析有一定的局限性,利用计算机进行人工风速时程的模拟能很好地解决这个问题。

　　收稿日期:2008-08-06;　修订日期:2008-09-19

　　基金项目:国家自然科学基金项目(50708118);重庆市自然科学基金项目(2007BB0133)

　　作者简介:张希黔(1939-),男,教授,主要从事结构振动、土木水利施工技术研究1E2mail:geyong1202@http://doc.guandang.net

第6期　　　　　　　　　　　张希黔等:脉动风场模拟技术的研究与进展2071　风场的基本特性

风是大气边界层内空气流动的现象,并且其流动的速度和方向具有随时间和空间随机变化的特征。可以采用风剖面、脉动风的湍流强度、湍流积分尺度、湍流功率谱密度函数和湍流的空间相干函数等概率特性进行描述。

1.1　脉动风速谱

脉动风速谱描述紊流风的谱特性,对于频域内的随机响应分析,风速谱是必需的。许多风工程专家对风功率谱进行了研究,得到了不同形式的风速谱表达式Daven2port谱、Kaimal谱和Harris谱等;竖向脉动风速谱有Panofsky-mick、-Panofsky谱等。

(1)纵向湍流功率谱

[3]1)Davenport脉动风速谱

Davenport谱是1961年A.G.90多次强风下的纵向224kV(1)Su)24/3,　xω(1+x)πV10

式中,ωV10为考虑当地地面粗糙度后10m高度处的基本风速;k为地面粗糙度系数,以下各式符号同。Davenport谱是离地面10m高度处的纵向湍流功率谱,没有反应湍流功率谱随高度的变化关系。另外,在Davenport谱中还假设湍流积分尺度是一个常数,因此在高频部分过高估计了谱的值。

[4]2)Harris脉动风速谱

Harris对Davenport谱做了改进,其纵向脉动风速谱表达式为

Su(ω)4kV102

ω25/6,　xπV10(2+x)(2)3)Kaimal脉动风速谱[5]

Kaimal考虑了大气湍流运动中湍流功率谱随高度的变化,其纵向湍流功率谱表达式为

Su(ω)(2)横向和竖向湍流功率谱[6]200kV2(1+50x)5/3ω,　xπVz(3)

Panofsky等广泛研究了竖向脉动风速谱,提出了在形式上和纵向湍流功率谱类似的竖向脉动风速谱,其表达式为

Sw(ω)3136kV102(1+915x)ω5/3,　x=πVz2(4)

用于横向脉动风速的Kaimal谱表达式为

215kV10Sw(ω)5/3,　xω(1+915x)πVz2

1.2　脉动风相关性(5)

在大气运动中,脉动风是一种随机过程,即风速和风向随时间和空间随机变化的。当用统计方法描述随机过程时,有总体平均和时间平均两类统计方法,由于脉动风可以假设为各态历经的平稳随机过程,因此可以用一个样本的时间平均来近似地等于总体平均,描述整个脉动风的过程,得到脉动风的统计特征。脉动风在不同时间和空间上的相关性是风工程研究的一个重要参数,其相关程度可以分别在时域中用相关函数和频域中用相干函数来描述。

在时域中脉动风的相关性一般用相关函数(correlationfunction)来表示,相关函数分为自相关函数和互

τ)和互相关函数。自相关函数Rxx(τ)和互相关函数Rxy(τ)不能直接了解相关性大小,引入自相关系数ρxx(

τ),其表达式为相关系数ρxy(

208地　震　工　程　与　工　程　振　动　　　　　　　　　　　　　　　　第28卷

ρτ)xx(

ρτ)xy()-μR(τ2σ2x)-μRxy(τxμy(6)

σxy

μσy分别为随机变量x、式中,μy的平均值和均方根值。x、y和σx、

在频域中脉动风的相关性一般用相干函数(coherencefunction)来表示。风洞试验和实测表明,相干函

[7]数是一条指数衰减曲线。文献[8]中,Davenport给出了纵向脉动风速的竖向和横向相关函数的表达式为

2221/ωCy(y1-y2)+Cz(z1-z2)-(7)Coh(r,ω)=π2[U(z1)+U(z2)]2

式中,ω为圆频率;r空间两点的距离;y1、y2、z1、z2,两点的连线与平均风速的方向垂直;U(z1)、U(z2)分别为高度z1、z2;y、系数,其取值可以由试验确定,文献[8]z=10。

Panofsky[9]

ωCx|x1-x2|

πU(z)2

式中,Cx,在陆地上取6.0,在海面上取3.0,x1,x2为空间两点的纵向坐标。r,)=-(8)2　脉动风场模拟技术的研究现状

大气风脉动可近似认为是各态历经、零均值、平稳高斯过程。MonteCarlo方法是模拟随机过程的一种直接有效的方法,是包括一系列随机参数模拟以及用确定性方法估计其后的系统响应的一种统计样本试

[10]验。经过几十年各国学者的努力,目前无论是稳态或非稳态,均匀或非均匀,一维或多维,单变量或多变量,高斯或非高斯随机过程都提出了一系列的模拟方法,但归纳起来,主要有三类。一类是利用三角函数叠加的谐波合成法(WAWS);第二类是基于数字滤波技术的线性滤波法如自回归算法(AR)、移动平均算法(MA)及自回归移动平均算法(ARMA)等等;第三类是利用小波在时域和频域上同时具有良好局部化特性,采用离散小波逆变换重构风速时程。

[11]谐波合成法是一种利用谱分解和三角级数叠加来模拟随机过程样本 …… 此处隐藏：11701字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……