考虑带宽修正的大跨屋盖结构非高斯风压极值估计方法

针对大跨屋盖结构表面风压宽频谱特性与极值风压估计方法问题。提出一种基于带宽修正的高斯转化法求解非高斯风压峰值因子,结合大跨屋盖结构风洞试验,采用该方法和现有极值风压评估方法对大跨屋盖结构表面极值风压开展了系统的对比验证研究。结果表明：高斯峰值因子法估算的大跨屋盖结构表面风压峰值因子明显偏离了非高斯风压的峰值因子;忽略带宽参数的Hermite矩模型高估了非高斯风压的峰值因子;相对于修正带宽的Hermite矩模型和目标概率法,提出的修正带宽高斯转化法与Sadek-Simiu法估计的大跨屋盖结构风压峰值因子更为准确,与试验观测值整体上最接近,且提出的修正带宽高斯转化法得到的结果误差及离散性均较小,能够高效合理地提供大跨屋盖结构表面非高斯风压峰值因子。     

大跨开合式屋盖峰值风压的试验研究

以1:300的几何缩尺比制作了一个开合式大跨屋盖体育场的刚性模型,在B类地貌中对该体育场进行了同步测压风洞试验。对活动屋盖开启和关闭工况下的屋盖表面净风压时程的随机特性进行了研究,结合概率曲线相关系数法对屋盖净风压时程在Gumbel、R-Weibull、Normal和Gamma四种候选分布中选择了最恰当的Gamma和Normal分布来描述测点的风压系数概率分布,进一步采用了转换过程法对屋盖测点的极值风压峰值因子进行了估计,并给出了极小值风荷载分布。结果表明:①转换过程法可以较好考虑风压的非高斯特性,能更安全地估计开合屋盖测点的极值风压;②固定屋盖的极值风压峰值因子在活动屋盖开启工况要稍大于活动屋盖关闭工况,其位置主要在固定屋盖屋顶口;活动屋盖极值风压峰值因子则开启工况小于关闭工况。③对于峰值风压,由于关闭工况下较大的平均风荷载,其极小值风荷载总体上仍大于活动屋盖开启工况。     

非高斯风压时程的矩模型变换与峰值因子计算公式

利用Hermite矩模型理论建立了非高斯过程与高斯过程之间的单调变换关系;非高斯过程与高斯过程的极值发生概率相等,界限穿越率相等,这为非高斯风压峰值因子、风压极值的计算奠定了基础。在介绍软化过程、硬化过程和偏斜过程的Hermite矩模型理论的基础上,采用偏斜系数、峰态系数表明了矩模型的单调变换范围,由此可根据偏斜系数、峰态系数预先确定Hermite矩模型的变换公式和变换阶数。建立了非高斯过程峰值因子的概率分布表达式,明确了非高斯峰值因子与高斯峰值因子之间的一一对应关系。将非高斯极值概率分布及峰值因子计算方法应用于平屋盖局部风压峰值因子、风压系数极值的计算。结果表明:非高斯风压的峰值因子、风压系数极值的计算值的平均值与实测值的平均值吻合,风压系数极值的吻合程度优于峰值因子的吻合程度。     

矩形高层建筑非高斯风压时程峰值因子计算方法

对一矩形高层建筑进行刚性模型风洞测压试验。首先基于风压时程的3阶矩和4阶矩,对不同风向下,矩形高层建筑表面风压脉动的高斯区与非高斯区进行划分。结果表明,迎风面的非高斯区主要位于迎风边缘及角部。在侧风面,长边迎风时,非高斯区主要集中在迎风前缘附近;短边迎风时,非高斯区位于靠近背风边缘的旋涡再附区。其次,基于Hermite级数法和改进Hermite级数法,通过参数分析和脉动风压谱拟合,提出非高斯风压时程的峰值因子简化计算方法--三参数Hermite级数法。最后,分别通过风压时程中的瞬时极值和风压时程的频数分布直方图验证了Hermite级数法、改进Hermite级数法和三参数Hermite级数法的有效性与准确性。结果表明,与风压时程中瞬时极值所对应的峰值因子相比,Hermite级数法的计算结果则偏于保守,三参数Hermite级数法、改进Hermite级数法的计算结果与其偏差率均小于10%。此外,三参数Hermite级数法和改进Hermite级数法所给出的概率密度曲线基本重合,且与实际风压时程频数分布直方图的贴合程度较优,能够较为准确地反映实际风压时程的概率密度分布。     

大跨屋盖脉动风压的非高斯特性研究

在大跨屋盖表面局部区域,特别是迎风边缘区域和屋盖拐角区,风荷载会表现出明显的非高斯特性,如果仍采用高斯模型来描述,往往会产生较大误差。基于五种典型大跨度屋盖结构的风洞试验,对屋盖表面局部风压的高斯和非高斯特性进行了研究。首先通过对第三阶、第四阶矩统计量归纳分析,给出划分高斯区和非高斯区的标准并对大跨度屋盖进行分区;同时,运用基于k-s检验的曲线拟合方法也得到风压非高斯分区,利用分区结果,得到保证率为99.38%的峰值因子取值。将两种方法相对比,发现得出的分区结果相似:非高斯区域往往集中在来流前缘、后部尾流区及高点角区附近。此外,分析结果表明,对于大跨屋盖结构,应适当提高我国荷载规范中的峰值因子并按结构分区取值。     

基于大涡模拟超大直筒-锥段型钢结构冷却塔极值风压研究

以国内拟建的首座超大直筒-锥段型钢结构冷却塔(189 m)为例,通过大涡模拟法获得其表面三维气动力时程和周边流场分布形态,并与国内外实测及风洞试验结果对比验证了数值模拟结果的有效性。在此基础上,基于三种典型风压极值算法(峰值因子法、改进峰值因子法和Sadek-Simiu法)对比分析了此类钢结构冷却塔表面峰值因子和风压极值的分布规律,并基于非线性最小二乘法分别给出了直筒和锥段部分的风压极值一维/二维拟合公式及取值建议;研究表明:直筒-锥段型钢结构冷却塔负压极值区和分离区附近风荷载呈现明显的非高斯特性,基于高斯分布假定的峰值因子法计算得出的极值风压数值偏小;锥段和直筒段背风面极值风压均大于规范取值,锥段迎风面和侧风面极值风压与水工规范极值接近,而直筒段迎风面和侧风面极值风压与荷载规范极值接近;所提出的风压极值拟合公式可以包络直筒和锥段的实际风压极值,最大误差10%。研究结论可为此类钢结构冷却塔风荷载设计取值提供参考。     

非高斯风压峰值因子估计:基于矩的转换过程法的对比研究

建筑围护结构抗风设计需要准确估计非高斯风压极值或者峰值因子。对于非高斯风压峰值因子估计,常用的基于矩的转换过程法有Hermite多项式模型（HPM）、Johnson转换模型（JTM）及平移广义对数正态分布（SGLD）模型。极值通常由母本概率密度函数（PDF）的尾部决定,现阶段对于三种模型基于相同前四阶矩预测的非高斯母本PDF尾部的差别尚不清楚,自然,对于这三种模型预测的极值或者峰值因子的差别尚无答案。为了探明三种模型的异同,从而提供一定的选取原则,该文就三种方法对非高斯风压峰值因子估计效果进行了系统的对比研究。首先从理论上对比了三种方法预测得到的母本PDF的差异和估计的峰值因子差别;其次,选用长时距风洞试验风压数据检验了三种方法对非高斯风压峰值因子的估计效果。结果表明在三种模型都适用的偏度和峰度组合范围内,HPM对非高斯风压峰值因子估计结果相比SGLD模型和JTM模型估计结果更准确。     

马鞍屋盖表面面积平均风压特性研究

为完善我国建筑荷载规范中有关围护结构和覆面材料的设计,本文提出了面积平均风压的概念。通过刚性模型风洞测压试验,研究了马鞍屋盖表面的面积平均风压特性。⒈ 以锥形涡为引,确定各矢跨比马鞍屋盖表面出现锥形涡的来流工况,以涡核吸力和涡核互相关性为依据,确定了马鞍屋盖的最不利风向为沿高点连线方向。⒉ 在一定附属区域内对单点风压进行集合,得到面积平均风压（时程）;在马鞍屋盖表面实行各种分区,探讨了最不利风向下各面积平均风压时程的峰值吸力随附属面积的变化趋势,得到了相应的拟合公式;通过各区域内单点风压时程的累积概率分布,验证了该拟合公式的准确性与有效性;根据偏度和峰度值大小,分析了面积平均风压时程的非高斯特性,并与单点时程的风压特性进行了比较,结果表明面积平均风压时程曲线中风压脉动分布均匀,高频脉动减少,因而其非高斯特性并不如单点突出,且普遍偏向高斯分布     

锥形涡及其诱导下的马鞍屋盖表面风荷载

通过刚性模型风洞测压试验,对锥形涡及其诱导下的菱形马鞍屋盖表面风荷载进行了系统研究:⒈分析了锥形涡诱导下的屋盖表面平均、脉动风压分布特点;通过脉动风压谱,着重分析了马鞍迎风前缘(易损区域)的平均、脉动风压分布机理。⒉通过风压信息确定了锥形涡的特征参数(涡核位置、作用范围),给出了定量结果;分析了锥形涡涡轴的左右摇摆运动,分别从定性和定量方面建立了锥形涡涡轴的运动与屋面吸力脉动之间的关系。⒊用测点风压时程的三、四阶矩对风压的非高斯特性进行描述,给出划分高斯、非高斯区的标准,并在此基础上对马鞍屋盖表面进行了分区;分析了锥形涡作用下屋盖表面风压非高斯特性的产生机理。     

复杂体型屋盖表面风压的高阶统计量与非高斯峰值因子

该文研究了某站台结构刚性屋盖风洞实验中风压统计量对于数据时长的敏感性。采用不同时长的数据计算长时距脉动风压数据的偏度和峰度,结果表明高阶统计量具有非平稳特性,峰度的值受数据时长的变化影响显著。根据随机数据的峰度是否大于3,可以将其划分为软响应过程和硬响应过程。通过分析此建筑屋盖表面风压数据,发现屋盖表面存在峰度小于3的硬响应测点。而现有的峰值因子计算方法都没有具体探讨其对于这种峰度小于3的硬响应测点的适用性,该文将不同计算方法得到的软响应和硬响应峰值因子结果与标准统计方法计算值进行对比,进而判断各种方法的优劣性。结果表明非高斯峰值因子计算当中不宜引入峰度这个参数,TPP方法对于计算硬响应过程和软响应过程的非高斯峰值因子都有很好的适用性。     

复杂曲面屋盖脉动风压的非高斯特性及峰值因子研究

以某大跨复杂曲面屋盖为研究对象,通过刚体模型风洞测压试验,研究表面脉动风压的概率分布规律和非高斯特性,分析形成非高斯分布的流动机理,并分别基于脉动风压空间相关性、峰度和偏度的累积概率,提出了高斯分布和非高斯分布的划分标准;在此基础上,采用Hermite矩模型构建非高斯分布与峰值因子间的联系。结果表明:屋盖迎风侧边缘和曲面拐角的表面脉动风压概率分布相较于标准高斯出现严重的偏离和凸起,呈现显著的非高斯分布特性,其原因在于上述区域的流动分离明显,其风压分布受分离涡影响而呈现较强的空间相关性,不满足独立同分布条件;以脉动风压空间相关性作为划分高斯与非高斯区域的标准更加合理,且物理意义较为明确。此外,还给出了此类复杂曲面屋盖非高斯区域风荷载峰值因子的取值范围。     

非高斯脉动风压的模拟研究

对于风荷载数值模拟,大多数研究都是假定风荷载为平稳高斯随机过程。然而,在分离流作用的一些局部重要区域,例如建筑物屋盖边缘、屋面转角等,风荷载表现出强烈的非高斯特性。为了能够有效地模拟非高斯脉动风压,本文提出一种模拟非高斯脉动风压的框架。首先,根据风速与风压间的关系,严格推导出脉动风压功率谱密度函数。然后,基于导出的功率谱密度函数、Johnson转换系统和数字滤波理论,提出一种能够快速而有效的生成指定偏度、峰度和功率谱非高斯脉动风压的方法。最后,通过一个一维单变量非高斯脉动风压的模拟算例对该方法的可行性和正确性进行验证。数值结果表明：模拟生成的单样本非高斯脉动风压的统计参数例如偏度和峰度与目标偏度和峰度非常吻合,而且模拟功率谱与目标功率谱两者也吻合得很好。     

行业标准《屋盖结构风荷载标准》的主要内容

全面介绍了新编行业规范《屋盖结构风荷载标准》的主要内容。针对多种屋盖主体结构的风振响应计算分析和抗风设计,采用平均风压与脉动风振等效静力风压之和表达主体结构的风压标准值,提出了脉动风荷载作用下结构风振响应极值的单目标、多目标等效静力荷载表达方式;采用多目标等效静力风荷载分析方法,给出了平面桁架、张弦梁、网架、球壳、柱壳、鞍形屋盖和悬挑屋盖的风振等效风压系数图表及体型系数图表。采用围护结构风压系数极值表达围护结构的风压标准值,规定了长/短时距的风压极值估计方法,给出了低矮房屋单坡/双坡类屋盖、四坡屋盖、中高层房屋屋盖、开敞屋盖、悬挑罩蓬的风压系数极值图表。《屋盖结构风荷载标准》引入屋盖主体结构风振等效风压系数和围护结构风压系数极值的概念,完善和发展了我国屋盖结构抗风设计的相关规定。     

下击暴流作用下大跨平屋面的极值风压分析EI北大核心CSCD

在下击暴流风场中,大跨平屋面建筑顶部的来流分离区及尾流区域处风压具有极强的非高斯特性。基于稳态冲击射流作用下的大跨平屋面建筑刚性测压试验结果,使用高阶统计量法研究了典型径向距离处屋面风压高斯与非高斯分区特性,利用TPP法计算测点峰值因子,发现平屋面表面测点极值风压系数与建筑物离下击暴流喷口间距有密切关系,研究结果表明:在下击暴流作用下,大跨平屋面部分区域出现明显的风压非高斯特性,尤其是迎风和背风边缘区域;屋面中心区域和屋面侧边缘区域峰值因子较小,屋面峰值因子取值范围在3.99~9.29,测点峰值因子均明显大于《建筑结构荷载规范》中的取值;在不同径向距离处,极值风压系数均为负值,来流分离区域及尾流区域风压系数绝对值较大;极小值风压系数绝对值随径向距离的增加先增大再减小,在径向距离为1.25 D_(jet)时极小值风压系数绝对值出现最大值。     

大跨度平屋盖表面的风压脉冲特性研究

大跨度平屋盖表面的风压脉冲特性是屋盖风压脉动特性的一个重要表现形式,基于大跨度平屋盖结构的风洞试验研究,结合风压脉冲的形成机理及利用过界峰值法研究屋盖表面风压脉冲对风压脉动的贡献及其出现的频率和峰值的大小,并从中找出反映大跨度屋盖结构的风场绕流特性和风压脉动特性的一些规律。     

超高层建筑横风向风致响应的非高斯性及峰值因子研究

基于单自由度气动弹性模型风洞试验,分析了超高层建筑横风向响应的非高斯性。通过归一化概率密度分布图直观地对比了不同风速,不同风场,不同斯科顿数和正下游干扰建筑对超高层建筑横风向加速度响应非高斯性的影响。通过对比多样本峰值因子观测值,对几种峰值因子取值方法的适用性进行了评估。分析了来流风速、风场、斯科顿数和下游建筑对风致响应峰值因子的影响。结果表明:在低湍流度下,来流接近涡激共振风速时,风致响应会出现显著的非高斯性;风场和干扰位置对风致响应非高斯性有着明显的影响;Davenport法在涡激共振风速和部分高折减风速时过分高估了峰值因子实际值,建筑结构荷载规范给定的峰值因子通常低估了峰值因子实际值,子段极值统计法可以较精确地给出峰值因子。     

复杂屋盖结构表面风压的非高斯特性研究

对一具有复杂曲面形状的开敞式大跨屋盖结构进行了风洞模型测压试验,对获得的屋面平均风压系数、脉动风压系数及其偏度和峰度值进行了计算和分析;提出并运用三种概率分布混合模型:对数正态分布和Weibull分布组合(LW)、双对数正态分布组合(LL)、双Weibull分布组合(WW)模型,对屋盖的非高斯风压分布特性进行了拟合和计算。结果显示,这类复杂屋盖除了在迎风屋檐、角区等出现吸力极大值外,还会在跨中凸起区域产生依次排列的多个极值区,这主要与复杂曲面所引起的气流多次分离与再附着有关;屋盖不同部位的风压呈现不同程度的非高斯特性,其中气流分离区的风压非高斯特性比较显著;三种概率分布混合模型对屋盖风压系数概率分布的拟合效果有所差别,其中LW混合模型的拟合效果最佳,适用于不同偏度的风压分布情况。     

本征正交分解技术及其在预测屋盖风压场中的应用

本征正交分解（POD）是以能量表述的随机场的最优分解，采用瑞利商概念及其极值性质推导了POD原理。根据风洞试验同步采集的风压数据利用POD技术预测了圆拱顶屋盖未布置测压点位置的风压时间序列。对预测风压包括均值、均方根值、极值在内的统计特性，时程曲线以及功率谱与实测风压作了比较。通过采用完全二次型组合法计算屋盖风致响应对所提预测方法的有效性进行了检查。     

高斯/非高斯混合随机风压场的模拟方法

针对作用于屋盖结构随机风压场样本的统计特性要求,基于零记忆非线性转化法的理论,给出了随机风压场的具体模拟过程。其中,解决了两个关键问题：（1）推导了服从对数正态分布和韦布尔分布的多点非高斯随机过程向量的标准化协方差,与相应高斯随机过程向量的标准化协方差的函数转化关系;（2）提出了分解谱密度函数修正法,解决利用谐波合成法模拟多点高斯随机过程向量时,功率谱密度函数矩阵在某些频率点出现负定的问题。经过具体算例表明,所提出的方法能生成合乎风洞实验数据统计特性要求的随机风压场样本。     

POD方法在双坡屋盖风压场预测中的应用

应用本征正交分解(POD)技术对双坡屋盖的随机风压场进行了预测。结合风洞试验同步测量的风压数据,采用了两种方案预测屋盖上未布测点位置的风压系数时间序列。预测出数据的统计特性(均值、均方根值及极值)和功率谱等与实测数据进行了比较,发现所预测风压系数时间序列的均值和均方根值精度较好。虽然预测的风压极值大部分被低估,但是预测数据的功率谱在低频段与实测数据相吻合。因此将预测的数据应用于结构的风致响应计算是可行的。