脉动风荷载时程数值模拟研究

ｈ ： 拿
Ｖ
（ １ １ ）
法， 其 基本 思想 是将 均 值 为 零 的 白噪 声 随 机序 列 通
式中： ｓ ∽ 及ｓ （ ｚ 为脉动风速功率谱 ， ｍ ／ ｓ 为
脉动 风频率 ， Ｈ ｚ ； ｖ ｚ 和 。 。 分 别 为 和 １ ０ ｍ 高度 处平 均风 速 ， ｍ ／ ｓ ； Ｖ ＋ 为摩擦 速度 ； Ｉ ｊ ｝ 和Ｏ ／ 为表 示地 表粗糙 度情 况 的参 数 ， ｋ 一般 取常 数 ０ ． ４ ７ ５ １ 。
（ Ａ Ｒ Ｍ Ａ ） ； 谐波叠加法是基于谱分解 和三角级数叠 加 求 和 来 模 拟 脉 动 风 时 程， 如 常 数 波 叠 加 法
（ Ｃ Ａ ＷＳ ） 和加权 波叠 加法 （ ＷＡ ＷＳ ） 。
２ ． １ 线性 滤波 法 线 性 滤 波 法 也 称 为 白噪 声 滤 波 法 或 时 问 系 列
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
重视 ， 数值模拟 方 法生 成脉 动风 时程 对 于掌握 结 构风 振 特 性、 减 少风致灾害有很好 的帮助作用 。介 绍 了近地表层 风场 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 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
建 材技 术与 应 用
５ ／ ２ ０ １ ４
・ ５・
：５ ３ ４ ４ ． ３ ４ ｌ
Ｏｔ １ Ｏ
（ ９ ）
（ Ａ Ｒ） 、 滑动 平 均 法 （ ＭＡ） 和 滑 动 自 回 归 平 均 法
Ｋ ａ ｉ ｍａ ｌ 谱：
Ｓ ｖ （ ｚ ＝２ ０ ０ （ １ ０ ）
近地表层不同高度时湍流积分尺度的变化。 上述各种常用水平风速谱的表达式见 （ １ ） 式至 （ １ １ ） 式， 其中Ｄ ａ ｖ ｅ ｎ ｐ ｏ ｒ ｔ 谱也是 Ｇ Ｂ ５ ０ ０ ０ ９ －２ ０ １ ２ （ 建 筑结构荷载规范》 采用的水平脉动风谱 。
Ｄ ａ ｖ ｅ ｎ ｐ ｏ ｔ谱 ： ｒ
Ｓ ｖ （ ｓ ３＝ ４ ｋ － ２ ｌ ０
＝一
百度文库：
（ １ ）
ｆ ‘ ２） Ｊ
１ ｏ
Ｈ ａ ｒ ｉ ｒ ｓ 谱：
Ｊ ｓ （ ＝ ４ ？
＝一
：
（ ３ ）
ｆ Ｉ ４） 斗Ｊ
１ ０
Ｓ ｉ ｍ ｉ ｕ谱 ：
Ｓ ｖ （ ｚ ＝ ２ Ｏ ０
况， 而Ｓ ｉ ｍ ｉ ｕ谱 、 Ｈ ｉ ｎ ｏ谱 、 Ｋ ａ ｉ ｍ ａ ｌ 谱 等 考 虑 了
关键词 ： 脉动风荷载 ； 功率谱 ； 谐 波叠加法 ； 线性滤波法
中图分类号 ： Ｔ Ｕ ３ １ ８ 文献标识码 ： Ａ
引 言
风荷 载是 结 构设 计 时所需 考虑 的一 类 重要 的 随 机 动力 荷 载 。 与地 震 作 用 相 比 ， 高层 、 超 高层 建 筑 、
．
（ ５ ）
（ ６ ）
ｃ ＝
１ 风场 的基本特性
大气 中气流 的运 动形 成 风 。根据 大量 的风场实
０
ｚ ／ｌ Ｏ （ ）
当ｃ ＞ ０ ． ２时 ， 取：
测资料可知 ， 在风的顺风 向时程 曲线 中包含脉动风 和平 均 风两 部分 。平 均 风周 期 通 常在 １ ０ ｍ ｉ ｎ以上 ，
文章编号 ： １ ０ ０ ９— ９ ４ ４ １ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ５— ０ ０ ０ ５— ０ ３
脉 动 风 荷 载 时程 数 值 模 拟 研 究①
口 口 Ｉ ｔ ／ ｊ ． － 颖 ， 陈小 兵 ， 何 微
摘
（ 广东 理工 职 业学 院 ， 广东 广州
５ １ ０ ０ ９ １ ）
动 风 速 时程 的 数 学 形 成 过 程 进 行 了研 究 。
率谱和相关函数这两个 函数来描述脉动风。 １ ． １ 常用 风 速功率 谱 脉动风的风速功率谱主要反映脉动风中各种频 率成 分对 应 的能量分 布 规律 。按方 向可 分 为水平 脉 动风速功率谱和垂直脉动风速功率谱 ， 目前使用最 广泛 的是水 平风 速功 率谱 ， 其中 Ｄ ａ ｖ ｅ ｎ ｐ ｏ ｒ ｔ 谱 、 Ｈ ａ ｒ ｒ ｉ ｓ 谱［ ８ ３ 不考虑 湍流积 分尺度 随高度 的变化 情
对建 筑结 构 的作 用 可 按 静 力 考 虑 ， 而 脉 动 风周 期 通
Ｉ ｓ （ ｚ ＝ ０ ． ２ ２ ＋
Ｃ
（ ７ ）
Ｈ ｉ ｎ ｏ谱 ：
ｓ －６ （ ８ ）
常只有几分之一秒 ， 且其速度和运动方 向在时空上
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 （ １ ２ ０ ７ ） 。
高耸结构 、 大跨度结构等在风荷载作用下的效应 ， 对
结 构 的安 全 性和适 用 性甚 至起 着决 定性 的影 响 。在 结 构 设计 计算 考 虑 风荷 载 时 ， 除 了在 平 均风 作 用 下 对建 筑结 构 进行 静 力计 算 外 ， 有 时 还 需 对 脉 动 风荷 载下 建 筑 结 构 的动 力 响 应 进 行 分 析 … 。 对 于 重 要 的结 构 ， 通 常采用 风 洞 试 验 的方 法来 测试 其 动力 响 应， 但风 洞试 验 方法耗 时耗资 巨 大 ， 目前 尚无法 在工 程设 计分 析 领域 中普 遍使 用 。而 通过计 算 机模 拟脉 动风 荷 载 ， 可 以很 好 地 帮 助 工 程 人 员 掌握 实 际工 程 结 构 的风振 特性 。事 实 上 ， 考 虑 到 在 实 际 的 大气 边 界层 紊 流风 场 中 ， 脉 动风 速不 仅是 时 间 的函数 ， 而且 随 空 间位置 而变 化 ， 是 一 个 随机场 ， 数值 模 拟方 法反 而 比实 际记 录更 具 有代 表 性 ， 因而 在 实 际 工程 中被 广 泛使 用 一 。