平均时距对良态风气候地区极值风速的影响研究

在风气候分析中,风速观测历史数据一般来源于各气象站的归档测量,但不同气象站采用的平均时距并不统一,这导致基于风速观测历史数据的极值风速预测过程存在平均时距的转换问题。该文对美国11座处于良态风气候地区城市气象站记录的风速连续观测数据,进行处理得到不同时距下平均风速序列,并将改进独立风暴法与极值I型分布模型相结合分析得到各重现期的风速极值,分析了平均时距对极值风速预测结果的影响。研究结果表明:在良态风气候地区,一定重现期的极值风速随平均时距的增大而减小,近似呈指数律衰减;平均时距对极值风速的影响规律基本不受极值风速重现期的影响; 1 min平均时距下的极值风速比10 min平均时距极值风速大19%左右。基于这些结果,拟合给出了良态风气候地区不同平均时距极值风速的转换关系式。     

考虑风向的良态风极值风速估计方法

考虑风向的极值风速估计是准确估算建筑结构风荷载的基础,但迄今为止人们针对这一问题的研究还不够深入,尤其是各风向极值风速的相关性问题研究较少。该文首先对Cook提出的独立风暴法进行了改进,提高了风气候数据利用率,同时也使得研究各风向极值风速间的相关性成为可能;然后,通过分析不同风向极值风速之间的尾部相关性表明了良态风气候下不同风向的极值风速的渐进独立性,并开发了一种新的考虑风向的极值风速估计方法;最后,通过南京地区各风向极值风速计算进一步讨论了该文方法的进步之处。     

基于乘法定理和AL模型的风速风向联合概率分布的研究及应用

该文开展了风速风向联合概率分布的研究,以大理地区1971年~2017年47年间的风速日值数据资料为例,选用乘法定理和AL模型两种方法建立该地区风速风向联合概率分布。首先,对各风向以及全风向风速数据的最优概率分布进行研究;其次,分别基于谐波函数和混合von Mises分布对风向的概率密度进行拟合,并进一步基于乘法定理和Angular-Linear （AL）模型推导得出了风速风向联合概率密度函数;最后,对大理地区50年重现期内的极值风速进行预测。研究结果表明:Gumbel分布能更好地描述大理地区的风速分布规律,通过AL模型获得的风速风向联合概率密度函数明显优于基于乘法定理得到的联合概率密度函数;而忽略风向的影响将明显高估大理地区的极值风速。     

观测间隔对极值风速的影响研究

由于早期观测设备都需要人工干预,气象部门提供的风气候历史观测数据一般都不是连续观测的,常常是每隔1 h或若干小时观测一次,这导致的数据遗漏可能会使极值风速的估算存在偏差。该文将美国11座城市气象站记录的风速连续观测数据,分别制作成“每隔1 h”、“每隔6 h”以及“无间隔连续”3种观测间隔的2 min平均风速值序列。结合改进的独立风暴法和与极值I型分布模型计算得到给定重现期的风速极值,并分析了3种观测间隔之间关系。研究结果表明:观测间隔为“1 h”和“6 h”的观测数据序列对应的日风速极值,与“连续观测”序列对应的日风速极值的差值均满足瑞利分布;利用风速差值的概率分布特性给出了修正方法。修正后的数据可给出准确性更高的极值风速估算结果。     

厦门地区台风风场特性的数值模拟

基于1959年~2008年厦门地区的台风详细资料,采用Yan Meng风场模型进行台风数值模拟,得到了台风极值风速序列,并推算出厦门地区不同重现期的极值风速,与年极值风速实测资料统计结果及现行规范值进行比较,为结构抗风设计提供了更为合理的荷载信息;同时,讨论了风向对极值风速分布的影响,为正确选择建筑方位提供理论指导。最后,基于Yan Meng风场不同半径位置处风剖面的变化规律,提取厦门地区沿高度的极值风速,研究了台风条件下的风剖面规律。     

考虑中尺度台风影响的大跨度航站楼屋盖风压特性研究

屋盖局部损坏是大跨度航站楼风致破坏的最典型形式,尤其是在强台风频繁发生的东南沿海地区。针对现存土木工程台风模型理论体系过度简化的问题,引入基于非静力平衡欧拉方程模型的天气预报模式(Weather Research and Forecasting, WRF)对"鲇鱼"台风进行高时空分辨率模拟。以厦门国际机场航站楼为例,首先采用三重嵌套的中尺度WRF技术分析了"鲇鱼"台风近地面三维风场特性,并基于非线性最小二乘法拟合得到边界层风速剖面。然后通过用户自定义函数确定小尺度CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟的入流风场,采用标准k-ε湍流模型分别模拟台风风场及良态A类风场环境中大跨度航站楼结构风场分布,基于悬空屋檐上下端压差分析确定了最不利来流风向角。最后基于大涡模拟技术深入探讨了最不利工况下屋盖极值风压特性,对比阐释了台风和A类风场下屋盖流场及风压形成机理。结果表明:采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.091;考虑中尺度台风影响会增大屋盖平均和极值风压,极值风压最大增幅可达31%。研究结论可为此类大跨度航站楼屋盖台风荷载取值与抗台风设计提供科学依据。     

良态风及台风不同风谱对结构风雨振反应对比分析

为了比较良态风及台风风场对结构风雨耦合作用的影响,利用良态风及台风风谱生成风雨荷载时程曲线进行时程反应分析。首先介绍了常用的良态风和台风的不同风谱以及雨荷载计算模型,采用谐波叠加法生成脉动风速以及风雨荷载时程曲线,将风雨荷载施加在输电塔上进行分析,得到了不同情况下的输电塔顶点加速度均方根。计算结果表明,在风单独作用下或风雨共同作用下,由台风风谱计算的输电塔顶点加速度均方根大于良态风风谱的计算结果,良态风下的风雨振加速度均方根增大百分比大于台风的计算结果,最大达到了24.43%。因此在台风登陆期间应重视台风的高湍流度和降雨对结构的撞击作用。     

中小尺度嵌套下考虑停机位置的大型风力机体系风振响应分析

国内外风工程界采用的风力机体系风效应分析方法通常基于良态气候模式,而台风边界层风特性不同于良态气候模式,台风作用过程中会表现出明显的时空变异性和多尺度涡结构。针对现存土木工程台风模型理论体系过度简化的问题,引入考虑真实台风场强变异性和衰减效应的中尺度天气预报模式(WRF)对“鹦鹉”台风进行高时空分辨率模拟,重点对比台风登陆前、登陆时和登陆后台风风向和风强特征,并结合模拟台风中心路径与实测路径的对比结果验证了中尺度台风“鹦鹉”模拟的有效性。以中国东南沿海地区某风电厂5 MW水平轴风力机为对象,基于WRF模拟获得近地面三维风场数据,并结合小尺度CFD大涡模拟技术分别对叶片单个旋转周期不同停机位置工况进行三维非定常数值模拟。在此基础上,结合有限元完全瞬态法对不同停机工况进行了风振响应动力时程分析,提炼出停机位置对体系风振响应和风振系数的影响规律,最终归纳总结了台风作用下大型风力机体系最不利停机位置。结果表明:采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.076;台风下塔架内力和风振系数显著增大,尤其是与塔架相对位置最近的叶片风振响应最为不利,内力最大增幅达35%。分析发现:当台风作用下大型风力机处于停机状态,下叶片与塔架完全重合(工况1)时为最不利,旋转至上叶片完全重合(工况5)时安全余度最大。     

台风“白鹿”影响下泉州湾近地脉动风速功率谱及其拟合参数分析

国内高速铁路网不断完善,沿海铁路海湾地形的风场特性亟待研究。基于福厦客专—泉州湾跨海大桥桥址处40 m风塔,实测获得了201911台风"白鹿"影响下的泉州湾近地风场实测数据。基于经验模态分解(EMD)技术得到了台风全过程时变平均风及相应脉动风样本,采用四参数风速功率谱模型拟合了台风纵向、横向及竖向功率谱,在此基础上对拟合参数进行了平均风速影响分析及概率密度分析。建立了38 m高度处台风演化功率谱并与同风速范围的相关规范建议风谱进行了对比。研究表明:四参数风谱模型能较好适用于实测台风风谱,各拟合参数随平均风速变化并不显著,拟合参数B随A呈指数型增长;核密度估计方法能较好拟合风谱参数的概率密度分布,拟合谱中的A参数概率密度近似对数正态分布,而B,C及α参数则与正态分布接近;测点接近7级风圈时所测脉动风湍流动能较位于风圈内时强;规范风谱并不能很好地反映"白鹿"台风引起的跨海大桥主梁高度处湍流功率谱密度(PSD)特征。     

CE风场模型在中国华南沿海地区的适用性研究

首先介绍了由非线性偏微分方程组描述的CE(the U.S.Army Corps of Engineers)风场模型,然后给出了基于有限差分的风场求解方法,利用2008年登陆广东的台风黑格比的卫星观测台风关键参数模拟得到了后报风场,并与若干个近地观测站点的10min平均风速和风向数据进行了对比,结果吻合良好,说明CE台风风场适用于中国华南沿海地区,可用于该地区基于MonteCarlo的台风危险性分析。     

Efficient robust design via Monte Carlo sample reweighting

A novel probabilistic method for the optimization of robust design problems is presented. The approach is based on an efficient variation of the Monte Carlo simulation method. By shifting most of the computational burden to outside of the optimization loop, optimum designs can be achieved efficiently and accurately. Furthermore by reweighting an initial set of samples the objective function and constraints become smooth functions of changes in the probability distribution of the parameters, rather than the stochastic functions obtained using a standard Monte Carlo method. The approach is demonstrated on a beam truss example, and the optimum designs are verified with regular Monte Carlo simulation. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑风向风速联合分布的输电塔线体系风振疲劳研究

输电塔线体系属于风敏感结构体系,在结构设计和实际工作中风荷载均起控制作用。然而,在风荷载计算以及工程研究领域中对风向风速的处理至关重要,但因两者之间的相关性导致了建立联合分布模型的困难。为此,该文基于乘法定理以重庆市日极值风速为对象,建立了风速条件概率密度的混合模型,改善了单一概率分布模型的不足。与此同时,根据风向方位记录数据建立了风向角的概率密度函数模型,并结合风速条件概率密度的混合模型,给出了风向风速的离散-连续混合联合分布模型。然后,将风向风速联合分布模型与Miner线性疲劳累积损伤理论相结合,推导出了输电塔的风振疲劳计算方法。最后,采用此建议算法对特高压输电塔线结构体系进行了风振疲劳分析,有效地考虑了风向风速对输电塔体风振疲劳的影响,减少了计算量,提高了结构分析的计算效率。     

Stochastic analysis on flexural behavior of reinforced concrete beams based on piecewise response surface scheme

To save the computational efforts of Monte Carlo simulation together with nonlinear finite element method, the analysis framework combining the response surface method and Monte Carlo simulation is usually adopted to investigate the stochastic nonlinear behavior of structures. It is found that the traditional response surface method could not describe stochastic behavior of cracked concrete beams. In order to overcome the discontinuity caused by cracking nonlinearity, a scheme by introducing a piecewise response surface is proposed in this paper. This scheme is evaluated by the stochastic analysis of several concrete beams. The comparison between the proposed method and some traditional methods, including Monte Carlo simulation and Monte Carlo simulation with traditional response surface, shows that the proposed method could well depict the stochastic behavior of concrete beams. Finally, the probability density evolution of concrete beams from short-term deflection to a long-term deflection is analyzed.     

Local estimation of failure probability function by weighted approach

In the reliability-based design of engineering systems, it is often required to evaluate the failure probability for different values of distribution parameters involved in the specification of design configuration. The failure probability as a function of the distribution parameters is referred as the ‘failure probability function (FPF)’ in this work. From first principles, this problem requires repeated reliability analyses to estimate the failure probability for different distribution parameter values, which is a computationally expensive task. A “weighted approach” is proposed in this work to locally evaluate the FPF efficiently by means of a single simulation. The basic idea is to rewrite the failure probability estimate for a given set of random samples in simulation as a function of the distribution parameters. It is shown that the FPF can be written as a weighted sum of sample values. The latter must be evaluated by system analysis (the most time-consuming task) but they do not depend on the distribution. Direct Monte Carlo simulation, importance sampling and Subset Simulation are incorporated under the proposed approach. Examples are given to illustrate their application.     

基于改进MCMC方法的有限元模型修正研究

针对马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)模型修正方法在待修正参数维数较高时不易收敛和计算效率低下的问题,建立了融合自适应算法和相关向量机的快速模型修正方法。基于广义无偏见先验分布,推导了待修正参数的后验分布;在标准MCMC方法的基础上,引入延缓拒绝算法以提高新样本接受概率;引入自适应算法以自主调整建议分布的带宽。通过相关向量机建立待修正参数与有限元模型理论计算值之间的回归模型,以提高模型修正的计算效率。数值模拟和试验结构的模型修正结果表明,该方法的收敛速度较快,计算效率优于传统的一阶优化模型修正方法,为解决不确定性模型修正中的计算效率提供了一种新手段。     

少量声速剖面时浅海声传播不确定性研究

当只有少量的浅海实测声速剖面时,不能直接利用Monte Carlo法研究声传播的不确定性。基于经验正交函数法,提出扩展向量法对少量实测声速剖面进行扩展,产生与实测声速剖面统计量基本一致的扩展声速剖面,基于MonteCarlo法,利用扩展后的声速剖面计算了声传播损失概率密度分布。结果表明,扩展向量元素服从标准正态分布,扩展后的数据捕捉到了未能测量到、但可能存在的声速剖面,该方法为浅海环境下实测声速剖面数据较少时,研究声传播不确定性提供了一种新的途径。