脉动风荷载时程数值模拟研究

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1、试验研究文章编号：1009-9441（2014）05-0005-03脉动风荷载时程数值模拟研究①□□陈颖，陈小兵，何微（广东理工职业学院，广东广州510091）摘要：在工程结构日趋大型化、复杂化、超高超限化的今随机，会引起建筑结构的随机振动响应。通常用功天，建筑结构风振响应的研究受到学术界、工程界的关注和率谱和相关函数这两个函数来描述脉动风。重视，数值模拟方法生成脉动风时程对于掌握结构风振特1.1常用风速功率谱性、减少风致灾害有很好的帮助作用。介绍了近地表层风场脉动风的风速功率谱主要反映脉动风中各种频的基本特性，阐述了实际工程应用过程中的线性滤波法和谐率成分对应

2、的能量分布规律。按方向可分为水平脉波叠加法模拟脉动风时程的原理，重点对谐波叠加法模拟脉动风速功率谱和垂直脉动风速功率谱，目前使用最动风速时程的数学形成过程进行了研究。［7］广泛的是水平风速功率谱，其中Davenport谱、关键词：脉动风荷载；功率谱；谐波叠加法；线性滤波法［8］中图分类号：TU318文献标识码：AHarris谱不考虑湍流积分尺度随高度的变化情［8］［9］［8］况，而Simiu谱、Hino谱、Kaimal谱等考虑了引言近地表层不同高度时湍流积分尺度的变化。风荷载是结构设计时所需考虑的一类重要的随上述各种常用水平风速谱的表达式见（1）式至机动力荷载。

3、与地震作用相比，高层、超高层建筑、（11）式，其中Davenport谱也是GB50009—2012《建［10］高耸结构、大跨度结构等在风荷载作用下的效应，对筑结构荷载规范》采用的水平脉动风谱。结构的安全性和适用性甚至起着决定性的影响。在Davenport谱：2结构设计计算考虑风荷载时，除了在平均风作用下-2xS（f）=4kv（1）v1024/3f（1+x）对建筑结构进行静力计算外，有时还需对脉动风荷［1］1200f载下建筑结构的动力响应进行分析。对于重要x=（2）-v的结构，通常采用风洞试验的方法来测试其动力响10Harris谱：应，但风洞试验方法耗时耗资巨大，

4、目前尚无法在工-2x程设计分析领域中普遍使用。而通过计算机模拟脉S（f）=4kv（3）v1024/3f（2+x）动风荷载，可以很好地帮助工程人员掌握实际工程1800f结构的风振特性。事实上，考虑到在实际的大气边x=-（4）v10界层紊流风场中，脉动风速不仅是时间的函数，而且Simiu谱：随空间位置而变化，是一个随机场，数值模拟方法反2cS（z，f）=200v（5）而比实际记录更具有代表性，因而在实际工程中被v5/3f（1+50c）［2-6］广泛使用。zfc=（6）-α1风场的基本特性v1（0z/10）当c>0.2时，取：大气中气流的运动形成风。根据大量的风场实

5、12S（vz，f）=0.26v2/3（7）测资料可知，在风的顺风向时程曲线中包含脉动风fc和平均风两部分。平均风周期通常在10min以上，Hino谱：对建筑结构的作用可按静力考虑，而脉动风周期通kx-211S（vz，f）=6kv1025/6（8）常只有几分之一秒，且其速度和运动方向在时空上（1+x1）①基金项目：广东开放大学/广东理工职业学院校内科研课题（1207）。建材技术与应用5/2014·5·3/α1-4αk（z/10）f（AR）、滑动平均法（MA）和滑动自回归平均法x=5344.341（9）13-αv10（ARMA）；谐波叠加法是基于谱分解和三角级数叠

6、Kaimal谱：加求和来模拟脉动风时程，如常数波叠加法2h（CAWS）和加权波叠加法（WAWS）。S（z，f）=200v（10）v5/3f（1+50h）2.1线性滤波法fz线性滤波法也称为白噪声滤波法或时间系列h=（11）-vz法，其基本思想是将均值为零的白噪声随机序列通2式中：S（f）及S（z，f）为脉动风速功率谱，m/s；f为vv过滤波器，使其输出具有指定谱特征的随机过程。--脉动风频率，Hz；v和v分别为z和10m高度处平z10若采用线性滤波法的ARMA技术，在白噪声w（f）均风速，m/s；v为摩擦速度；k和α为表示地表粗糙激励下，滑动自回归平均模型的

7、输出为x（f），则模度情况的参数，k一般取常数0.4751。［12］1型输入及输出关系的时域表达可写成：1.2脉动风相关性pq（xf）+∑a（xf-i）=Gw（f）+∑bw（f-1）ii在紊流风场环境中，各点之间的风速大小及风i=1i=1向并不完全一致，甚至是完全无关的。脉动风在不（16）同时间和空间上的相关程度，在时域上采用相关函式中：G为系统增益；ai及bi为模型待定系数。当a=0时，就成了MA模型；当b=0时，就是AR模数、在频域上采用相干函数来描述。ii相关函数分为自相关函数R（τ）和互相关函型。xx［12］数R（τ）。为了更直观了解风场各点之间相关

8、性2.2谐波叠加法xz的