基于罚函数的平均风速统计时距划分方法

针对目前结构风工程中风速特性统计分析均采用固定时距且不考虑统计时距内平均风速变化的假定,以三峡库区青草背长江大桥及舟山西堠门大桥桥址处实测风速资料为对象,采用罚函数对比法探讨了以风速样本均值和方差作为风速序列突变判据的时距划分方法,对比分析了风速样本的稳定时距的峰度、偏度、概型分布等统计特性。通过研究发现：采用P-variance方法得到的风速序列稳定时距远大于P-mean方法,风速平均值的波动趋势明显快于表征风速脉动能量的风速根方差的变化;基于罚函数对比法计算得到的风速稳定时距呈现出明显的正偏态分布特征,且Weibull分布可以较好地拟合风速稳定时距;采用罚函数对比法P-mean算法得到西堠门大桥桥址风场的风速稳定时距为569s,与规范中600s的计算时距非常接近,在一定程度上为规范600s时距的取值提供了依据,也证明了罚函数对比法在计算平均风速统计时距上的合理性;相比于传统10min固定时距,基于罚函数对比法的可变时距下风速序列的顺风向紊流强度和阵风因子的标准差均有不同程度的下降。     

山区峡谷高墩刚构桥施工期风荷载研究

为确保高墩大跨钢构桥在山区峡谷中的施工安全,对高墩大跨度悬臂现浇桥受风荷载的影响进行研究。根据山区峡谷的地形数据建立峡谷的三维数值模型,基于计算流体力学进行峡谷风场数值模拟;并通过现场实测风速修正峡谷计算模型,并利用计算流体力学软件模拟计算峡谷风场中桥梁表面的风压值、风速值等风场特征。     

桥位风场特性研究方法探讨

在桥梁设计过程中,特别是初步设计阶段,准确获得大跨径桥梁桥位风场特性参数非常重要。本文以临猗黄河特大桥桥位处风场特性研究为背景,采用数值模拟和风场实测方法对风场特性进行研究。结果发现,风场实测位置处10m、30m、50m、80m高度的平均风速分别为2.7m/s、3.4m/s、3.9m/s、4.4m/s,数值模型对应位置处相同高度的风速计算值分别为2.90m/s、3.24m/s、3.55m/s、3.94m/s,误差分别为7.4%、-4.7%、-9.0%、-10.5%,计算结果满足工程需求。对处于复杂地形特别是峡谷谷口的大跨径桥梁,在初步设计阶段通过数值模拟方法获得桥位处风速数据的方法具有可行性。     

实测风场风速风向耦合的三维非平稳特征研究

为了获取考虑风速风向耦合效应的实测风场非平稳特征，在获取三维脉动风速时程的过程中，采用EMD方法建立了三维脉动非平稳风速模型，并推导出了脉动风速时程表达式，进一步发展了风速时变标准差、时变湍流强度的概念。以高层建筑实测台风数据作为算例，并与平稳风速模型进行对比分析，验证了非平稳风速模型的准确性和优越性：不需要选取基本时距；时变的物理量能反映微观特征，更能反映风速的非平稳性。通过平稳度指数检验了数据分析过程的平稳性特征，结果表明：风速在频域内的平稳性指数随着频率的增大而逐渐增大；不考虑风向时，风速的平稳性指数大小是与风速的变化速率相关的；非平稳风速模型所计算的脉动风速平稳性较平稳性模型方法所分析结果有所改善。     

虎门二桥桥位处风场特性观测研究

采用现场实测的方法对虎门二桥桥位处的风场特性进行分析研究。于桥位附近建立一座80m高的测风塔,在三个年度观测期间,获取了平均风场完整观测资料以及影响桥位测风现场的强台风过程的脉动风场观测数据,并综合考虑附近参证测风站的长序列测风资料,推算得到桥位区距海平面不同高度各重现期风速。研究结果为静风荷载计算、颤抖振分析及主桥风洞试验等进一步的抗风安全性研究提供了依据。     

深切峡谷桥址区风场空间分布特性的数值模拟研究

以大跨度山区悬索桥为工程背景,针对深切峡谷桥址区复杂的地形地貌,应用CFD商业软件FLUENT进行区域地形风场数值模拟分析,通过多工况的计算分析,揭示了复杂地形地貌桥址区空间风场的分布特征,对比分析桥址区风速沿竖向和沿主梁方向的变化特点,确定不同攻角情况下桥面风速及其与梯度风速的比值关系,并根据风洞试验及风致响应分析的需要,提出以包络线表示的风速-风攻角对应关系。研究表明,深切峡谷桥址区风场特性复杂,具有明显的三维特征,与跨海及跨江大桥桥址区的风场特性存在明显差异。研究结论为桥梁设计风速确定及进一步的抗风设计提供依据。     

台风 “鲇鱼”作用下厦门沿海某超高层建筑的风场和风压特性实测研究

为研究我国沿海地区超高层建筑的风场和风压特性,在2010年台风“鲇鱼”登陆前后对厦门沿海某超高层建筑的风场和建筑表面风压进行了同步监测。通过对实测风场和风压数据的深入分析表明：沿海地区超高层建筑风场的湍流度随风速增大变化平稳,阵风因子随湍流度的增大而增大;实测脉动风速功率谱密度与von Karman谱吻合较好;建筑各面内测点之间的瞬时风压、平均风压、平均风压系数和极值风压系数具有较强的相关性;实测平均风压和平均风压系数在迎风面较大,在背风面非常小;当风从角部吹向建筑时,随着风向角的变化,两迎风面的平均风压系数随着平均风速的增大变化规律相反;两背风面的平均风压系数随着平均风速的增大逐渐减小;迎风面的极值风压系数随着风向角的变化正负波动较大,背风面的极值风压系数分布较为均匀;迎风面的脉动风压系数较大且变化较大,背风面的脉动风压系数非常小且变化平稳;建筑各面的极值风压系数和脉动风压系数的幅值随着风速的增大逐渐减小。     

山地风场特性及其对输电线路风偏响应的影响

山地风场的复杂性和显著的三维特性是困扰山区输电线路抗风设计的关键问题。该研究采用CFD数值模拟与风洞试验相结合的方法研究典型单山脉地形和双山脉峡谷型地形的三维平均风场和脉动风场特征。由于风洞试验测点数及试验风速的限制，输电线路沿线各点的三维平均风场基于CFD数值模拟得到。由风洞试验获取山脉地形的湍流度、湍流积分尺度、沿线路方向的衰减系数等脉动风场参数，在此基础上采用POD法重构生成输电线路沿线各点的三维脉动风速时程，并分析比较跨越峡谷、山脊的输电线路沿线风场特征。建立连续三跨输电线路有限元模型，采用时域法研究山地风场特性对输电线路风偏响应的影响。研究结果表明：山顶、峡谷处风速显著增大，且气流爬坡将导致局部位置产生上升气流；由于近地风场加速效应的影响，沿山脊布置的输电线路全档风偏响应增幅较大，跨峡谷输电线路其爬坡段风偏响应增幅较大；上升气流主要使导线竖向风偏位移增大；山地地貌下考虑脉动风速的影响，绝缘子串风偏角风振系数宜取1.2~1.3。该研究为完善山区输电线路的抗风偏设计提供借鉴。     

近地面与超高空台风风场不同时距湍流特性对比分析

基于台风“海鸥”、“凤凰”、“蔷薇”和“莫拉克”的近地面风场和台风“凡亚比”、“鲇鱼”和“狮子山”的超高空风场实测资料,进行了近地面和超高空台风风场不同平均时距(3 s、1 min、10 min和60 min)台风湍流特性的对比分析,研究了边界层台风风场的湍流特性及其与平均时距的关系。研究表明：台风风场的平均风速、风向角随平均时距的增加逐渐趋于平稳;1 min和3 s平均时距风参数能较好地反映平均风速、风向角、湍流度和阵风因子尤其是风速较大时的脉动性和变化规律;近地面与超高空台风风场的不同时距平均风速的离散性和平均最大风速之间的比例相差较大;随着平均风速的增大,近地面与超高空台风风场不同时距湍流度和阵风因子的变化规律与离散性相差较大;日本风荷载规范(AIJRLB-2004)公式基本适用于我国沿海超高空台风风场顺风向湍流度的估计;当平均时距小于10min时,随着平均时距的减小,近地面和超高空台风风场的顺风向湍流度均比横风向减小得快;超高空台风风场的3 s时距顺风向湍流度均值略小于横风向,近地面台风风场的3 s时距顺风向湍流度均值大幅小于横风向。     

温州地区近地强风特性实测研究

为研究我国沿海地区的近地强风特性,基于设置在温州大学的风场观测点(离地约30m高),对台风“海鸥”影响温州时的风场状况进行了监测,获取了台风期间近地风场的实测数据。通过对台风影响过程的风速和风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速功率谱密度函数和空间相干性等参数的分析,研究了台风“海鸥”影响温州时的近地风场特性。结果表明：台风“海鸥”的湍流度和阵风因子较大,顺风向和横风向湍流度接近;顺风向与横风向湍流积分尺度的均值分别为70.4m和66.6m;实测风速谱与von Karman谱基本符合;实测两点的脉动风速空间相干系数在零频率处与Shiotami经验公式计算结果一致。     

几种非平稳分析方法对非平稳风力时程的比较分析

非平稳信号的分析方法是信号分析领域中的一个重要问题。本文以风洞试验获得的非平稳风压信号和升力系数信号为研究对象,分别采用短时傅里叶变换、Wigner-Ville分布,小波变换方法和Hilbert-Huang变换(HHT)方法对信号进行时频分析。分析结果表明,由于短时傅里叶变换、Wigner-Ville分布,小波变换方法都是基于傅里叶变换,因此,得到的频谱特性都大致相同,只是在分析的精细程度上有所差异;HHT方法可以获得有意义的瞬时频率,从而给出频率随时间变化的精确表达,信号最终被表示为时频平面上的能量分布,成为Hilbert谱,该方法适用于分析生活中普遍存在的大量频率随时间变化的非线性、非平稳信号,可将复杂的信号直接分离成从高频到低频的若干阶固有模态函数。另一方面,无论用哪一种分析方法都可以看出,风速和风压信号的能量大多分布在低频部分,高频部分所占比例很少,而升力信号的能量大多分布在高频部分,低频部分所占比例很少。本文采用HHT方法提取起控制作用的信号主成分。     

Wind turbulence characteristics study at the Stonecutters Bridge site: Part I—Mean wind and turbulence intensities

Hong Kong is situated in the typhoon belt thus major civil engineering structures such as tall buildings and bridges are exposed to very severe gusty winds caused by a direct hit once every few years. Stonecutters Bridge in Hong Kong is a cable-stayed bridge having a colossal central span of 1018 m. The dynamic action of gusty wind on the bridge therefore needs careful consideration. A study into the turbulence characteristics at the bridge site has therefore been initiated with the objective of deriving a model of turbulence suitable for buffeting calculations of slender structures. To this end, Highways Department of Hong Kong Special Administrative Region (HKSAR) erected a 50 m high meteorological mast at the bridge site and commissioned wind tunnel experiments employing a 1/1500 scale terrain model. Part I of this paper will focus on the study of mean wind and turbulence intensities. Part II will focus on the other turbulence characteristics including wind power spectra, integral length scales and wind coherences.     

Time-frequency analysis of typhoon effects on a 79-storey tall building

Di Wang Tower located in Shenzhen, PR China, has a height of approximately 325 m and is a 79-storey tall building. This paper presents selected results of full-scale measurements of typhoon effects on Di Wang Tower. Wind speed, wind direction, wind-induced acceleration and displacement responses were simultaneously and continuously measured from the super tall building with anemometers, accelerometers and global position system (GPS) during a typhoon. The advanced data analysis method called Hilbert-Huang transform (HHT) was adopted in this study to analyze the non-stationary characteristics of wind speed and wind-induced responses of this building under typhoon condition. By using the empirical mode decomposition (EMD) method, the measured data were decomposed into several inherent intrinsic mode functions (IMFs). The probability density and power spectral density of fluctuating wind speed were obtained by traditional methods and were further analyzed by considering time-varying mean values of the measured data via the EMD method. The wind-induced responses with non-stationary features were studied by applying the HHT to each IMF for obtaining their instantaneous frequency and Hilbert-Huang composite spectrum. Meanwhile, the transient energy distributions of the wind-induced responses were analyzed in time-frequency domain, which were compared with the traditional power spectral densities obtained from the fast Fourier transform (FFT) method and those from the wavelet transform. Furthermore, the amplitude-dependent damping ratios were determined by combining the EMD and the random decrement technique (RDT) method. Through comprehensive analysis of the measured data, it was testified that the HHT method is a promising tool for the time-frequency analysis of random signal and can serve as a flexible and effective tool for analyzing field data of wind speed and wind-induced response with non-stationary features.     

基于规范及实测风谱的苏通大桥抖振响应对比研究

复核结构设计是桥梁结构健康监测系统的主要功能之一。以世界第一大跨斜拉桥——苏通大桥为工程背景,采用实测风谱对大桥设计阶段基于规范谱所进行的抖振分析进行验证。首先采用非线性最小二乘法对桥址区实测强风紊流功率谱密度函数进行拟合,获得实测谱曲线,并分别以该实测拟合谱和规范谱为目标谱分别模拟桥址区三维脉动风场。然后采用上述两种风场,基于ANSYS对苏通大桥进行非线性时域抖振响应分析。两种分析结果的对比表明:与实测谱相比,基于规范谱所得的主梁抖振响应情况不一,但主塔抖振响应均偏于保守;两种抖振响应的PSD曲线整体趋势基本一致。分析结果可为该桥的风致抖振性能评价提供研究信息,同时对其他类型结构的抗风设计具有重要的参考价值。     

Fatigue model for elastic bars in turbulent wind

Accumulated fatigue damage of an elastic structural bar vibrating in natural turbulent wind may be a primary cause of structural failure. Clumps of strong lateral oscillations may occur randomly with time. These oscillations are due to resonance between the vortex shedding frequency and the natural frequency of the bar. The so-called “lock in” phenomenon apparently extends resonance from a point of coincidence to an interval. An idealized stochastic model is set up on the basis of the empirically observed existence of a critical interval of undisturbed wind velocities upwind of the bar. The upwind velocities are modeled as realizations of a specific stochastic process. A clump of strong lateral, damped harmonic oscillations occurs during any uninterrupted “visit” of the velocity to the critical interval. For velocities outside the critical interval only insignificant lateral oscillations occur. The fatigue damage is assumed to be linearly accumulated according to the Palmgren—Miner rule within each clump and from clump to clump. The goal is to evaluate the structural reliability for any specified period of time. It is expressed in terms of a reliability index.     

Simulation of the dynamic response of transmission lines in strong winds

A numerical simulation procedure for predicting the response of a single span transmission line to strong turbulent winds is described. The wind velocities are generated using a ‘Monte Carlo’ technique based on an inverse fast Fourier transform; the equations of motion of the line are then solved numerically using a finite difference method. Results obtained using the method were compared with those from linearized random vibration theory. Effects due to the mean swing angle of the line, and due to the excitation of an in-plane mode of vibration were apparent.