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。     

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。     

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。     

非高斯风压极值估计:基于矩的转换过程法的抽样误差对比研究

非高斯风压极值的准确估计对于建筑结构抗风设计非常重要。由于使用方便,转换过程法被广泛用于非高斯风压极值估计。转换过程法中典型的转换函数模型有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。通常,这三个转换函数模型的参数估计仅需数据的前四阶矩,因而这些模型被称为基于矩的转换函数模型。实际工程设计中用于计算风压极值的数据通常是有限长度的,而基于有限长度数据计算的前四阶矩具有抽样误差,致使基于矩的转换函数模型估计的风压极值亦具有抽样误差。现阶段对于以上三种模型估计非高斯风压极值所引起的极值抽样误差的区别尚不清楚。为了对三种模型估计极值时的抽样误差进行对比研究,该研究介绍了HPM、JTM和SGLD三个模型;给出了三个模型估计非高斯极值的抽样误差的理论方法;随后基于理论方法的计算结果对比了三个模型估计的极值的抽样误差;基于超长风压风洞试验数据对三种模型极值估计时的抽样误差进行了系统的评估和验证。结果表明:HPM对非高斯风压极值抽样误差的估计效果通常比SGLD模型和JTM估计的效果更好。该研究结果可为合理选择非高斯风压极值估计模型提供一定的指导。     

基于非高斯仿真的风压系数极值计算方法

以多变量相关非高斯过程仿真方法为基础,发展了一种基于单次采样的多变量非高斯仿真极值计算方法。首先介绍开孔屋盖的风洞试验概况和多变量相关非高斯过程仿真的基本理论,对屋盖上一组测点风压进行了非高斯仿真,结果表明基于谱修正的多变量相关非高斯过程仿真方法得到的时程在功率谱密度,相干函数,高阶矩三方面与目标值接近,仿真效果较好,然后采用经典极值理论对多次仿真的非高斯时程进行极值计算,将该方法得到的峰值因子与以往常用方法的结果进行比较,结果表明:Davenport峰值因子法高估气流分离区左偏风压的正峰值因子60%,低估负峰值因子43%;Sadek-Simiu峰值因子法低估了高峰度风压的峰值因子50%;而基于单次样本进行仿真的非高斯仿真峰值因子法,其估计的开孔屋盖的峰值因子最为准确,与观察峰值因子总体上最为接近。     

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。     

非高斯随机过程的短期极值估计:复合Hermite模型

Hermite模型自20世纪80年代后期开始被广泛应用于非高斯随机过程的短期极值估计。当随机过程的非高斯性很强时,尤其是偏度很大时,常用的3阶Hermite模型不足以表征出极值分布的尾端特征。工程中,样本统计矩的不确定性使得更高阶的Hermite模型不宜使用。基于此,该文提出了同时基于中心矩与线性矩的复合Hermite模型,有效地将Hermite模型由3阶拓展到4阶。该文以对数正态模型作为非线性系统的研究对象,对比分析了在解析条件下和在使用蒙特卡洛模拟获得样本数据条件下,各类Hermite模型与传统的Gumbel法以及平均条件穿越率（ACER）法用于极值分析的表现。结果表明,对于大偏度强非高斯随机过程的极值预测,复合Hermite模型具有更好的精确度和鲁棒性。     

大型双面广告牌面板风压特性的试验研究

近年来户外大型广告牌发展迅速,其强风下的风致损坏也时有发生。针对这类特殊开敞板式结构的风压特性,通过大型风洞测压试验研究,全面分析了各风向角下面板表面净风压的统计分布特征,给出了面板风压系数的分布规律;考察局部风压的非高斯特性,采用Hermite矩方法计算了非高斯测点的极值风压;最终给出了面板风压分区及对应的设计参数。该研究为大型广告牌结构的抗风设计提供基础数据和分析依据。     

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。     

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。     

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。     

平均时距对良态风气候地区极值风速的影响研究

非高斯风压的极值估计对建筑围护结构抗风设计是极其重要的。由于简便性和无可行区限制,基于矩的piecewise HPM(PHPM)、Johnson转换模型(JTM)和piecewise JTM(PJTM)常用于非高斯风压极值估计。现阶段,PJTM对非高斯风压极值的估计效果还缺乏系统的研究,且对于三种无可行区限制模型的极值估计差别尚不明确。为探明三种模型的差别,从而提供一定的选择原则,该文系统对比了三种模型估计非高斯风压极值的精度。该文从理论上对比了三种模型的母本概率密度函数和传递函数;选用超长风洞试验风压数据对三种模型估计非高斯风压极值的精度进行了评估。结果表明：PHPM对非高斯风压(负偏度)极小值的估计精度比PJTM和JTM高,PHPM和PJTM对非高斯风压(负偏度)极大值的估计精度比JTM高。     

非高斯风压极值估计:基于无可行区限制的传递函数对比研究EI北大核心CSCD

非高斯风压的极值估计对建筑围护结构抗风设计是极其重要的。由于简便性和无可行区限制,基于矩的piecewise HPM(PHPM)、Johnson转换模型(JTM)和piecewise JTM(PJTM)常用于非高斯风压极值估计。现阶段,PJTM对非高斯风压极值的估计效果还缺乏系统的研究,且对于三种无可行区限制模型的极值估计差别尚不明确。为探明三种模型的差别,从而提供一定的选择原则,该文系统对比了三种模型估计非高斯风压极值的精度。该文从理论上对比了三种模型的母本概率密度函数和传递函数;选用超长风洞试验风压数据对三种模型估计非高斯风压极值的精度进行了评估。结果表明:PHPM对非高斯风压(负偏度)极小值的估计精度比PJTM和JTM高,PHPM和PJTM对非高斯风压(负偏度)极大值的估计精度比JTM高。     

基于矩的传递函数模型的“不兼容”非高斯风压过程模拟研究

非高斯风压的准确模拟对于建筑结构抗风设计非常重要。由于简便性,基于矩的Hermite多项式模型(HPM)和Johnson转换模型(JTM)常用于非高斯风压模拟。在实际模拟中,由两种模型表示的概率分布与非高斯风压目标功率谱可能出现“不兼容”。现阶段对于HPM和JTM出现不兼容的难易程度差异尚不明确,两种模型出现不兼容情况时模拟“不兼容”非高斯风压的效果亦不清楚。基于此,该文章系统全面地研究了HPM和JTM出现不兼容的难易程度和模拟“不兼容”非高斯风压的效果。首先,介绍了基于HPM和JTM模拟“不兼容”非高斯风压的方法;其次,从理论上对比了两个模型出现不兼容情况的异同;最后,基于数值案例系统对比和评估了两种模型模拟“不兼容”非高斯风压的效果。结果表明：随着偏度增加,基于HPM和JTM的非高斯模拟更易出现不兼容;JTM对“不兼容”非高斯风压的模拟效果稍好于HPM。     

基于POT法确定风压系数极值的自动阈值选取与参数估计EI北大核心CSCD

风压系数极值是确定建筑围护结构设计风荷载的重要变量。实现阈值自动选取和合适的模型参数估计方法是保证超阈值模型极值计算结果精确性的先决条件,也是当前超越阈值模型研究的热点和难点。以CAARC高层建筑刚性模型测压风洞试验数据为基础开展超越阈值模型极值计算方法研究,通过对独立峰值数量和相关性研究独立峰值提取方法的性能;采用蒙特卡罗法研究4种不同的广义Pareto分布参数估计方法的性能,给出最佳参数估计方法选择建议;提出基于形状参数或极值估计结果稳定性的变点-局部比较阈值自动选取新方法。研究结果表明,基于变点理论-形状参数/极值稳定性阈值自动选取方法具有较小的样本依赖性,以及有较好的样本非高斯适用性,由此构建的改进超越阈值模型计算风压系数极值与标准极值的偏差小于5%,且完全实现阈值客观、自动选取,研究结论完善了小样本风压系数极值估计方法,对确定建筑围护结构设计风荷载具有重要意义,且可推广到其他极值估计领域。     

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。     

偏斜非高斯随机振动信号幅值概率密度函数研究

偏斜非高斯振动信号幅值概率密度没有明确、简洁的解析表达式。研究概率密度的解析表达式,对于非高斯振动理论研究具有重要意义。针对以上需求,提出了一种基于高斯混合模型的概率密度函数表示方法。首先,通过时间样本序列得到偏斜非高斯振动信号前五阶矩的估计值。其次,根据平稳高斯随机过程各阶矩之间的定量关系,结合二阶高斯混合模型的数学表达式建立方程组,求解得到混合模型中每个高斯分量的均值、标准差和权重系数。然后,将每个高斯分量的参数代入高斯混合模型,得到偏斜非高斯振动信号的幅值概率密度的解析表达式。最后,将所提出的方法应用于仿真非高斯加速度信号和实测非高斯振动应力信号,充分验证了该方法的有效性和适用性。     

基于广义极值理论的非高斯风压极值计算方法

该文从广义极值理论出发,根据观察极值的相互独立性,推导了风压时程样本的极值分布参数与样本长度之间的关系式。以对风压时程样本的合理分段为手段,给出了一种由众多子样本极值的概率分布参数推算母样本的极值期望值的估算方法。最后,基于风洞试验数据,将该文所用方法与常用极值估算方法(Davenport法、Kown-Kareem法、Sadek-Simiu法和Quan等法)的计算结果进行了比较,表明该方法能更准确地估计非高斯风压的极值。     

基于现场实测临海地区特大型冷却塔风振响应非平稳特性研究

忽视特大型冷却塔风振响应的非平稳特征可能会导致对结构响应极值的估算偏差和风振作用特性的错误理解。为此,以某沿海地区特大型冷却塔(高190 m)为研究对象,通过现场实测获取了超高雷诺数和真实湍流条件下特大型冷却塔的风振响应信号;在对实测信号进行降噪滤波处理后进行了不同时距的信号非平稳识别,并分别基于平稳分析模型和非平稳分析模型对特大型冷却塔的响应统计值、峰值因子和极值响应进行对比研究。研究结果表明:临海地区特大型冷却塔风振响应表现出较强的非平稳性,部分响应信号的"大偏斜"或"高峰态"现象是由非平稳特征引起,采用非平稳模型可以更有效地判别信号的真实非高斯特征;此外,响应峰值因子普遍大于3.5,忽视非平稳特性将导致极值估计的缺陷,既无法提供足够的保证率,又降低了响应极值计算结果的经济性。     

不同四塔组合形式对特大型冷却塔局部非高斯风压分布影响研究

非高斯脉动风压是引起冷却塔局部风荷载过大的重要因素之一,群塔干扰会显著改变冷却塔表面风压非高斯分布模式。四塔组合是火/核电厂冷却塔群最常见的组合形式之一,以在建世界最高冷却塔（220 m）为研究对象,针对工程中最典型的串列、矩形、菱形、L形和斜L形五种四塔方案进行刚体测压风洞试验。在此基础上,系统研究不同四塔组合形式冷却塔风压信号的幅域和时域特性,并针对考虑四塔干扰效应的冷却塔二维和三维峰值因子取值问题进行对比探讨,分析不同四塔组合方案对冷却塔风压非高斯特性的影响规律。研究表明,串列、矩形、菱形、L形和斜L形方案分别较单塔工况非高斯区域增加了11%、63%、56%、89%和30%,采用基于高斯分布假定的峰值因子法进行冷却塔群极值风压计算将引起较大的误差。串列和斜L形四塔方案峰值因子分布受塔群干扰影响较小,而矩形、菱形和L形方案峰值因子较单塔明显增大,部分区域峰值因子达到6.5以上。该文研究从机理上分析四塔组合冷却塔群局部风压过大的形成原因,也为进一步探讨不同四塔组合冷却塔群表面极值风压奠定了基础。