基于小波变换的高层建筑脉动风速模拟与实测研究

对某200m高的超高层建筑顶层实测风速及用传统的谐波叠加法得到的模拟风速分别进行了静态离散小波变换,通过对小波系数的概率密度、峭度及偏度分析,证明了传统模拟方法不能反映湍流的间歇性及局部自相似性。基于小波能量与目标风速谱的关系,利用实测风速及对数泊松模型,建立了基于静态离散小波变换的脉动风速时程模拟方法。实例模拟表明,该方法避免了传统离散小波重构所需要的上采样,且模拟数据符合统计检验,从而验证了方法的简便性和有效性。     

同时考虑塔、索、梁风载的随机脉动风场模拟简化方法

摘 　要 　为实现了桥址处空间脉动风场的有效模拟,根据斜拉桥体形特征提出简化随机脉动风场的快速小波分析方法,可同时考虑桥塔、拉索、主梁的风载。在模拟过程中,依据小波多分辩率特性及Mallat算法对一维多变量随机过程进行快速计算;通过考虑空间点的相关性,把自相关函数矩阵扩展到互相关函数矩阵,借鉴了自回归模拟思想把小波方法扩展到模拟一维多变量随机过程中,产生每一尺度小波系数并推导相应计算公式。通过与传统的谐波合成法和线性滤波器法对比算例验证：小波方法具有良好的模拟精度,计算量明显减小,是一种有效的模拟方法。     

大跨空间结构风模拟的改进方法及其小波识别

大跨空间结构风速时程模拟需考虑风的时间相关性和空间相关性。利用线性滤波器法并结合快速Foutier变换（FFT）对球面网壳结构进行多点脉动风速时程模拟，较好地解决风速时程的模拟精度、模拟速度和计算稳定性问题。利用小波变换良好的时频局部化性质和可变的聚焦特性，针对模拟的风速时程低频含量较少的特点，利用haar小波对风速时程进行小波分解和识别，修正分解后的低频含量。计算显示，重构修正后的风速时程在时域和频域上均更逼近目标风速时程。     

小波分析在结构风工程中的应用

小波变换因其在时-频两域都具有表征信号局部特征的能力而成为非平稳信号分析的有力工具,在土木工程的各个领域得到了广泛应用.简要介绍了小波变换的基本原理,系统总结了近年来小波分析在结构风工程中的风荷载模拟、风场特性研究、风与风压的相互关系以及模态参数识别中的国内外现状,并对小波变换在结构风工程中的应用前景进行了展望.     

考虑相位角的脉动风场模拟

为克服考虑相位角后风谱密度矩阵可能不正定而无法进行Cholesky分解的困难,提出了一种基于插值技术的改进风场模拟方法。首先依据风谱密度矩阵的正定性或不正定性将模拟风频范围划分为正定区间和不正定区间。在正定区间内,可直接将风谱密度矩阵进行Cholesky分解。而在不正定区间内,可采用插值技术获得风谱密度矩阵的分解式。然后运用谐波合成法模拟出全部风频范围内的脉动风速。数值算例表明:该方法具有较高的精度,且模拟结果能较好地符合自然风的基本特性。     

基于小波变换的非平稳脉动风时变功率谱估计方法研究

为揭示非平稳随机脉动风的时频特性,基于小波变换原理推导了时变功率谱的时间、频率和幅值与小波变换系数的关系,建立了非平稳随机脉动风时变功率谱估计的小波函数加权和法,并采用模拟非平稳脉动风和实测台风过程对理论推导结果进行了验证。研究结果表明:非平稳随机过程在某一时刻的不同尺度小波变换系数是一个以此非平稳随机过程的调制函数与小波函数的乘积为调制函数的非平稳随机过程的傅里叶变换,非平稳随机过程的时变功率谱等于不同尺度和不同时移的小波函数模平方的加权和,小波函数加权和法计算的非平稳随机脉动风的时变功率谱与理论结果具有良好的一致性。小波函数加权和法可有效地估计非平稳随机脉动风的时变功率谱,估计的时变功率谱可为进一步理解强(台)风的随机脉动特性奠定基础。     

大跨桥梁非平稳台风风场数值模拟与验证

为实现大跨桥梁非平稳台风风场模拟,系统提出大跨桥梁台风风场模拟验证方法,并基于实测台风数据对进化谱作为风场验证风谱的适用性进行检验。首先提出台风风场模拟方法,基于进化谱理念,获取时变功率谱,采用谐波合成法,对非平稳台风风场进行模拟;其次基于Kaimal风谱和进化谱理论,推导非均匀调制函数,获取非均匀调制进化谱,验证模拟台风风场的合理性;再次基于实测脉动风场特性理论和经验模态分解(EMD)方法,构建非平稳风速模型,获取实测功率谱,对进化谱作为风场验证风谱的适用性进行检验;最后应用提出的台风风场模拟和验证系统方法对某沿海斜拉桥台风风场进行模拟和验证。研究结果表明:实测功率谱与进化谱吻合较好,进化谱适用于台风模拟风场的验证;应用提出的台风风场模拟方法对台风风场进行模拟,模拟风场的功率谱与进化谱吻合非常好,模拟方法合理有效。     

大跨度桥梁考虑桥塔风效应的随机风场模拟

将谐波合成法与修正的谱描述法结合用于大跨度桥梁主梁及桥塔上的随机风场模拟。论述了利用谐波合成法对桥梁上顺风向风场的模拟过程,其中考虑了风谱沿高度的变化、由不对称互相关函数引起的重谱以及与频率有关的相位关系,对涉及的复数形式的目标谱密度阵给出了实用的分解方法。文中对用上述理论模拟出的风场样本进行了风谱的相关性检验,计算结果与目标值吻合良好,证明了所用模拟方法的可靠性。最后,使用该方法模拟生成了一座大跨度斜拉桥上随机风场的样本。     

空间结构三维风时程模拟及其小波分析

基于谐波叠加法和快速傅里叶变换提出改进方法,用于大跨空间结构的三维相关风速时程模拟。风速功率谱被分解为频率谱函数和相干函数;研究表明在空间三个方向上模拟风速功率谱皆收敛于目标风谱。小波分析在时域和频域上同时具有良好局部化特性。使用小波技术对模拟的风速时程进行时频分析,利用离散小波变换分解和重构风速时程,用小波系数描述风速信号特性。采用最大熵值法减少风速时程分析在时频域上的信息损失并提高效率。计算显示,改进方法速度快、精度高,弥补了传统手段模拟空间结构三维风速时程耗时冗长、精度低的缺陷,小波分析在风速时程分析中具有理想的可靠性和保真性。     

小波分析在空间随机风场模拟中的应用

采用小波分析的方法对具有空间相关性的随机风场进行模拟.在模拟过程中,首先依据小波的多分辨率特性及小波重构算法生成一系列不相关的一维风速时程样本,其中尝试采用ARMA(自回归滑动平均)法产生每一尺度小波系数并推导了相应的计算公式.然后依据风场的空间相关特性,修正已生成的不具有相关性的随机场样本,最终合成具有指定相关特性的空间风场,并通过算例验证了这种方法的有效性.     

Synthetic turbulence: A wavelet based simulation

The treatment of wind-induced vibrations is an important consideration in the design of civil structures with increasing span-lengths and heights. The turbulence in the atmospheric boundary layer has been treated as Gaussian in conventional stochastic simulation schemes, wherein higher-order statistics have been disregarded. However, experimental evidence points at turbulence being a typical multifractal process, which suggests that the statistics at different scales of atmospheric turbulence are not strictly self-similar but exhibit stronger non-Gaussianity as the length scale decreases. Intermittency characterized by the occasional bursts in the wind velocity leads to non-Gaussianity. Intermittency and its potential impact on wind-induced response have been neglected though. Recent studies have addressed the multifractal property of turbulence in wind with wavelet-basis representations of the log-Normal or log-Poisson models. These schemes offer new insight into the simulation of turbulent wind, but suffer from several significant drawbacks, such as the inappropriate sampling of the wavelet coefficients. To overcome these shortcomings, a new simulation scheme, based on the Haar wavelet representation, is proposed in this study where the exact relation between the wind velocities and the wavelet coefficients is introduced. In addition, the effects of intermittency on the wind-induced response of structures are evaluated for a number of cases. A quasi-steady theory-based assessment indicates that the intermittency results in amplifying extremes of the wind-induced response and exhibits higher impact on relatively more rigid structures. It is likely that intermittency may invoke flow-structure interaction with possible enhancement in load effects at related scales, which may further amplify the extremes.     

大跨越输电塔线体系随机脉动风场模拟研究

为在时域内分析大跨越输电塔-线体系风振响应,根据结构体型特征和脉动风场的功率谱特性,考虑输电塔-线分布、平均风剖面变化、功率谱能量与相干性等影响因素,提出了简化作用于输电塔线体系的多变量三维脉动风场(n-V-3D)为多变量一维脉动风场(n-V-1D)分析方法。结合输电塔线体系有限元法风振响应分析的特点,应用谐波叠加法和谱分解的适当修正,建立了脉动风速时程数值模拟方法。实例模拟表明,数据符合统计检验,模拟功率谱与目标谱吻合,从而验证了模拟方法的有效性和模拟脉动风速时程适用性。     

基于双POD模型的空间相关三维随机风场数值模拟

POD法提供了一种高效、准确的风荷载模拟方法,通过对风场的功率谱密度矩阵进行Schur分解,得到一系列的特征值和特征向量,选取主要的几阶特征模态进行计算就可以得到比较精确的结果。该文讨论了具有空间相关性三维随机风场的数学模型,利用双POD模型和蒙特卡罗模拟法,详细描述了空间相关三维风场的数值模拟方法。通过大跨越输电塔三维风场的数值模拟研究表明,模拟的顺风向、横风向、竖直向风速的功率谱密度函数与理论值较为符合,并且具有较好的随机性。证实了该文提出的方法是一种高效、准确的结构三维风场模拟方法,并可应用于大跨空间结构、高层建筑及大跨度桥梁等结构之中。     

基于六旋翼无人机搭载风速仪的边界层风剖面实测研究

对基于六旋翼无人机搭载风速仪进行边界层风场测量的可行性进行了研究,分析了实测得到的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度与功率谱密度等风场特性参数,并与测风塔上固定安装的风速仪测量结果进行比较。结果表明:基于无人机方法所测得的风速风向值经过修正后与测风塔实测值基本一致,两者误差在±3%以内;基于无人机方法所测风速拟合的风剖面精度较高,且与规范规定的B类地貌风剖面接近,其拟合计算的平均地面粗糙度为0.148;基于无人机方法所测得的各项脉动风特性参数与测风塔的实测值较为接近,两者误差控制在±5%以内;湍流度与阵风因子存在指数相关性;基于无人机方法所测得的脉动风速功率谱与测风塔所测脉动风速功率谱基本一致,且与Karman谱有较好的吻合。     

基于润扬大桥南塔顶长期监测数据风场特性分析

通过对润扬大桥健康监测系统获取的长期实测风场数据进行分析,获得了南塔塔顶300d 的平均风速、风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风功率谱等风场特性参数的分布规律以及参数之间相关性的推荐公式。并与跨中风速仪测试数据进行对比分析,得到了平均风速随高度的变化规律以及两点间风场的空间相关性。长期实测结果统计分析表明,润扬大桥悬索桥南塔塔顶的平均风速较小、风向稳定;风场的湍流度比跨中更强,并高出规范建议值近7倍;湍流积分尺度接近正态分布,并与湍流度、平均风速存在一定的相关性;纵向、横向功率谱均与Kaimal 谱相差较大,功率谱密度函数参数与平均风速存在直接相关性;塔顶风场与跨中风场相关性较弱。     

斜拉索风雨振非平稳风场特性分析

基于小波多尺度分析,提取风雨振实测风速、风向的时变平均值,并建立非平稳风速模型。采用非平稳风速模型,分析了洞庭湖大桥2003年4月初风雨振时实测风速紊流强度、积分尺度、脉动风谱和概率密度等重要风场特性,并将结果与传统的平稳风速模型和基于EMD的非平稳风速模型进行比较,进一步验证采用基于小波分析的非平稳风速模型的合理性。同时,根据Davenport相干系数公式,计算了桥塔和桥面风速记录顺风向脉动风分量的相关性。     

Modeling and simulation of fluctuating wind speeds using evolutionary phasespectrum

According to the characteristics of vortexes with different frequencies in atmospheric turbulence, a rational hypothesis is proposed in the present paper that the time history of fluctuating wind speeds can be viewed as the integration of a series of harmonic waves with the same initial zero-phase. A univariate model of phase spectrum is then developed which relies upon a single argument associated with the concept of starting-time of phase evolution. The identification procedure of starting-time of phase evolution is detailed and its probabilistic structure is investigated through the estimation of the measured data of wind speeds. The univariate phase spectrum model is proved to be valid, bypassing the need of the classical spectral representation techniques in modeling the phase spectrum where hundreds of variables are required. In conjunction with the Fourier amplitude spectrum, a new simulation scheme, based on the stochastic Fourier functions, for fluctuating wind speeds is developed. Numerical and experimental investigations indicate that the proposed scheme operates the accurate simulation of fluctuating wind speeds efficiently that matches well with the measured data of wind fields by revealing the essential relationship among the individual harmonic waves. The univariate phase spectrum model exhibits the potential application for the accurate analysis and reliability evaluation of random wind-induced responses of engineering structures.