基于ARMA模型模拟高架桥的脉动风速时程

强风是高架桥设计与防灾减灾分析的控制性荷载之一.风与高架桥相互作用十分复杂,可以通过风洞试验、现场实测、数值模拟获取可靠的风速(风荷载)数据.尽管如此,时域分析可以使人们更全面地了解高架桥的风振响应特性, 也能更直观地反映高架桥风致振动控制的有效性.因此, 使用线性滤波法即白噪声滤波法(WNFM)中的自回归滑动平均(ARMA)模型模拟高架桥的脉动风速时程.首先, 考虑高架桥脉动风速的时间和空间相关性, 导出自回归(AR)模型阶数与滑动回归(MA)模型阶数不相等时ARMA模型的表达式.接着, 基于Kaimal风速谱,使用ARMA模型来模拟一座实际高架桥的脉动风速时程.最后,通过比较模拟风速功率谱、自相关和互相关函数与目标风速功率谱、自相关和互相关函数的吻合程度, 验证基于ARMA模型模拟高架桥脉动风速时程的可行性.     

三维空间曲面结构风荷载的数值模拟

本文运用计算流体动力学技术,基于FLUENT 流体动力学数值模拟平台,采用雷诺平均法和大涡模拟技术,对球壳、柱面、悬链面、菱形马鞍面及椭圆双曲抛物面五类结构进行了定常、非定常流场的模拟计算。使用自回归模型的线性滤波法生成了脉动风速的时间序列,该脉动风速的时间序列很好地满足了预先设定的脉动风速谱和空间相关性要求,进而将其代入到实际计算的边界条件当中。将五类空间曲面结构表面风压的模拟计算结果与风洞试验结果定量比较：稳态计算得到的平均风压数据与风洞试验结果吻合理想,非稳态计算得到的脉动风压数据与试验结果差别稍大,其中正高斯曲面模拟精度高于负高斯曲面。     

非平稳脉动风速的数值模拟

非平稳脉动风速的数值模拟关键因素是要获得时变功率谱.根据进化谱理论,时变功率谱可以通过某个确定性调制函数对现有平稳功率谱(例如kaimal谱、Davenport谱或Simiu谱)进行调制而获得.但是,目前并没有值得认可的功率谱调制函数,以至于非平稳脉动风速的模拟很少被关注.为了获得合理的调制函数来实现非平稳脉动风速的模拟,首先,将某一段时间 [0,T]内的非平稳脉动风速离散成n=T/Δt段足够短时间Δt内可以近似为平稳脉动风速的时间序列;其次,当Δt→0时,通过组合n段平稳脉动风速的功率谱来获得时变功率谱;最后,通过将获得的时变功率谱等于进化谱而推导出相应的调制函数,并运用谐波合成法模拟了三个空间点的非平稳脉动风速.     

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。     

非高斯脉动风压的非迭代模拟算法

建立了无需反复迭代的非高斯随机过程模拟算法,避免了反复迭代可能出现不收敛的问题。基于非线性平移过程,详细分析了潜在高斯随机过程与非高斯随机过程的转换关系。通过反证法证明了非高斯随机过程的目标功率谱与边缘概率分布函数需要协调一致,并建立了判断非高斯目标功率谱与边缘概率分布函数是否协调的标准,即潜在高斯目标功率谱是否出现负值。对于目标函数不协调的情况提出了相应的修正方案,建立了模拟单变量非高斯随机过程的非迭代算法。采用该算法对不同斜度的非高斯脉动风压进行了数值模拟分析,并通过相关函数、功率谱、概率密度函数与目标函数的对比验证了该算法的有效性。     

大跨屋盖风荷载的频域特性试验研究

在大气边界层风洞中通过模拟大气边界层风场对广州国际会展中心模型进行测压试验,获得了测点的在36个风向角下的风荷载。对风荷载的功率谱、相关系数、相干函数进行了细致分析,讨论了风场对脉动风压频域特性的影响。得出一些结论：脉动风压功率谱表现很强的漩涡脱落特征,其斯脱罗哈数约为0.295;测点风压相关系数横风向强于顺风向,均随着测点间距的增大而减小,并且边缘区域测点的相关性高于中间区域测点;测点风压的相干系数随着测点距离的增大而减小,且顺风向高于横风向。     

具有时变功率谱的非高斯随机过程的数值模拟

为了有效地模拟具有目标时变功率谱特征的非高斯随机过程,即非平稳非高斯随机过程。提出了基于目标时变功率谱和目标非高斯概率密度函数,通过建立非高斯与高斯随机过程之间相互转换的非线性平移关系,以及非线性平移前后高斯与非高斯随机过程的功率谱或相关函数的转换关系,将非平稳非高斯随机过程转化为非平稳高斯随机过程的模拟;而非平稳高斯随机过程可通过谱表示进行有效的模拟。为了验证该方法的有效性,进行了具有目标非平稳非高斯特征的脉动风速模拟;模拟结果表明:模拟生成的脉动风速样本的功率谱具有时变特征,且瞬时功率谱和相关函数均与目标相吻合;任意时刻脉动风速样本的概率密度函数与目标非高斯函数相互吻合;因此,模拟的随机样本不仅具有目标时变功率的非平稳特征而且还具有目标概率密度函数的非高斯特征,说明了该非平稳非高斯随机过程模拟方法的有效性。     

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     

海边坡角可调试验房风荷载现场实测研究

在东海边上海浦东国际机场附近建造了一栋坡角可调的低矮房屋及测风塔,以对海边附近的风场特性及低矮建筑屋盖表面风压特性进行研究。该变坡房最大特点是屋盖坡角可以在0～30°之间自由调节,以便分析坡角变化对屋盖表面风压的影响。本文首先分别对0°、10°及20°屋盖坡角下选取的10分钟风压时程信号进行了分析,并与1:30刚性测压风洞试验相应结果进行了对比,表明屋盖表面平均及脉动风压分布与风洞试验结果吻合较好。其次,对风速、风向角的平稳性及其之间的相关性进行了分析,说明风速与风向角之间耦合作用明显,尤其竖向风向角对风速脉动影响较大,时间滞后为0时两者之间相关系数接近-0.5。最后,对屋盖表面风压信号的非高斯特性进行了研究,发现偏度与峰度之间具有较好的线性关系,并给出了0°、10°及20°屋盖坡角下偏度与峰度的线性拟合公式。     

基于风压谱和Hermite模型的大跨干煤棚风压场数值模拟研究

大跨干煤棚表面风荷载脉动特性较为复杂,通常需要风洞试验确定。基于四参数风压谱模型和Hermite变换关系,提出了大跨干煤棚随机风压场的数值模拟方法,对非高斯风压场进行高效模拟;同时在该方法中引入基于非高斯数字特征的误差控制参数,能够在给定精度要求的条件下修正模拟结果;利用某大跨开敞式干煤棚网架结构的刚性模型高频测压风洞试验数据,得到了大跨干煤棚表面各区域风压谱模型的四个参数,并采用该方法开展了大跨干煤棚非高斯风压场的数值模拟。通过数值模拟结果和风洞试验结果在时域和频域内的对比,验证了方法的有效性。     

高斯流场中单自由度线性体系非高斯振动响应试验研究

对于风湍流等高斯分布流速场中的线性结构体系,当考虑荷载中脉动流速二次项的影响时,理论上其振动响应将呈现非高斯分布特性。基于调试得到的不同粗糙工况高斯流场,开展了单自由度线性体系顺流向振动响应测试,研究了单自由度线性体系加速度响应的非高斯分布特性,分析了粗糙度对响应非高斯成分的影响,讨论了三种常见非高斯概率密度逼近方法对响应的拟合效果。试验结果表明:试验高斯流场中单自由度线性体系的顺流向加速度响应主要呈现出尖峰非高斯分布特征,且随着紊流度的提高,响应非高斯性有增强的趋势;响应的非高斯概率密度宜采用高斯混合模型方法进行拟合。     

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。     

屋盖结构脉动风压非高斯特性分析的极限流线方法

非高斯脉动风压对围护结构及局部结构构件有较大影响,在设计中应引起足够重视。目前,非高斯风压场的分区研究主要是建立在对实验数据的统计量分析基础上,并非普遍适用,且随机性较强,区内统计特征值亦相差很大,不足以显示不同区域的非高斯程度,故须结合其形成机理加以分析。考虑到在特定风场条件下分离流动及旋涡作用范围具有时均定常的特点,利用稳态数值方法求解的极限流线和粘性流动分离理论的基本结论,结合实验结果分析了典型屋盖结构脉动风压非高斯特性的形成和分布机理。结果表明,极限流线的分布形态与实验统计的偏度及峰态值分布高度相关,可以被很好地应用于风压场非高斯特性的生成及分布机理研究。     

附属物对高层建筑局部风压的影响规律研究

探究了表面水平隔板对高层建筑局部风压的影响。对4种具有不同形式表附属物的高层建筑进行了刚性模型测压试验,并与无附属物的高层建筑测压结果进行对比。通过各立面上的平均风压与脉动风压系数以及极值风压系数的对比分析,结果表明:表面附属物对迎风面的正风压系数影响很小,但能够大幅削减侧风面上的负风压系数,尤其是负极值风压系数;且这种削减效果随附属物水平间距的减小而增强,建筑侧风面迎风向上部角区的极值风压最大削减幅度可达37%。侧风面脉动风压概率密度分布及非高斯特性研究表明:表面附属物能够减小较大负压的概率密度函数的偏度与峰度,从而削弱其非高斯特性,这种作用随附属物水平间距的减小而增强,表明附属物能够有效抑制来流在侧风面的分离。     

Efficient stationary multivariate non-Gaussian simulation based on a Hermite PDF model

An efficient stationary multivariate non-Gaussian simulation method is developed using spectral representation and third order Hermite polynomial translation. An approximate closed form relationship is employed to identify the Hermite translation parameters based on target skewness and kurtosis. This preserves a high degree of accuracy over the entire admissible range of the Hermite translation, and eliminates the need for iterative solution of the translation parameters. The Hermite PDF model is suitable for a wide range of strongly non-Gaussian stochastic process. In addition, an explicit bidirectional relationship between the target non-Gaussian and Gaussian correlation is developed to eliminate the need for iteration or numerical integration to identify the underlying Gaussian correlation. Examples apply the simulation method to both theoretical targets and experimental wind pressure data.     

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。     

非高斯随机振动下包装件时变振动可靠性分析

包装件在流通过程中经常受到非高斯随机振动激励的作用,提出了一种包装件在非高斯随机振动激励条件下的时变可靠性的分析方法。结合多项式混沌扩展和Karhunen-Loeve扩展,提出了基于功率谱(或自相关函数)、均值、方差、偏斜度和峭度信息的非高斯随机振动激励的模拟方法;为减小数值分析量,应用拟蒙特卡洛法,在随机变量空间中合理控制变量的分布模拟非高斯随机振动激励,通过四阶龙格库塔法分析,用较少的随机振动模拟样本准确得到了包装件加速度响应的前四阶矩和自相关函数。基于响应的统计信息,应用该研究提出的多项式混沌扩展、Karhunen-Loeve扩展和拟蒙特卡洛分析,获得包装件加速度响应样本,计算包装件的时变可靠性,用原始蒙特卡洛法验证了计算的准确性;该方法在包装件的可靠性分析、包装系统优化等方面具有重要意义。     

一种非高斯随机振动过程数值模拟方法

目的 考虑真实随机振动的非高斯特性,提出一种根据已知信息生成与其相符的非高斯随机振动过程的数值模拟方法。方法 基于均值、方差、偏斜度、峭度及功率谱密度函数（或自相关函数）等约束条件,对非高斯随机振动进行模拟。根据功率谱获取非高斯过程的自相关矩阵;通过Hermite多项式的正交性质和多项式混沌展开方法推导出的公式,构造满足标准正态分布随机过程的协方差矩阵,并对其进行谱分解和主成分分析;最后,利用Karhunen-Loeve展开和多项式混沌展开来表示所模拟的非高斯振动过程。结果 随着采样点个数的增加,实测数据与模拟数据之间的误差越来越小,该方法具有较好的模拟精度。结论 应用多项式混沌展开、Karhunen-Loeve展开以及蒙特卡洛等方法,可生成非高斯随机振动过程,并得到准确有效的各项统计参数模拟值。     

强风作用下超高层建筑风场特性的实测研究

为了获取在强风作用下超高层建筑的风场特性,基于风压测试基本原理,本文设计出了新型风压传感器。针对一超高层建筑设计了风场实测的实施方案,获得了超高层建筑顶部的风速风向纪录,记录了墙面六个测点的风压时程。基于高空风速风压同步实测结果,分别对实测场地的风速风向特征及墙面风压特征进行了分析。结果表明,特殊地形条件下的风速脉动不完全符合典型的风速谱,而且其概率密度函数有可能不符合高斯分布;在这种情况下的墙面风压也呈现出不同程度的非高斯特征,尤其是在分离流区域;脉动风压的空间相关性与风洞试验研究的结果具有相同的规律。