高层建筑基于风速风向联合概率分布作用的风致响应可靠度分析

为研究高层建筑多风向风致加速度满足人体舒适度要求的可靠度,推导了以结构顶部加速度响应均方根值表征的近似解析表达式,建立了风速风向联合分布的概率模型。并以广州西塔高层建筑为算例,结合其工程气象分析及风洞试验等相关资料,通过随机振动理论和曲线拟合方法,得到其在主要风向角下风致顶部加速度响应均方根值与10 m高度平均风速的拟合表达式。在此基础上,考虑平均风速服从Weibull分布,阻尼比服从正态分布条件下,基于条件概率,采用验算点法对此高层建筑在考虑风速风向联合概率分布情况下,满足重现期10年的顶部风致加速度响应(舒适度)要求的可靠度进行了分析,表明结构顶部重现期10年风致加速度失效概率在各方向有明显差别,说明考虑风速风向联合分布的风致结构舒适度失效概率计算的必要性。采用本文的验算点法对本算例高层建筑的可靠度分析,结果表明其对应重现期10年的考虑风速风向联合概率分布情况下满足舒适度要求的可靠度值达99.98%。     

结合台风全路径模拟的宁波地区台风极值风速估计

运用台风全路径模拟技术和极值理论统计方法对宁波地区台风极值风速进行精确估计.首先,基于CMA-STI热带气旋最佳路径数据集并采用Vickery经验回归模型进行了西北太平洋海域台风全路径模拟,生成了600年台风路径及强度数据,采用Yan Meng风场模型确定了影响宁波地区的台风风速序列.然后,使用weibull分布函数描述了台风各风向下的极值风速边缘分布,并利用t-Copula函数构造各风向极值风速的联合分布模型,得到了台风考虑风向相关性的多风向极值风速估计值.最后,与台风不考虑风向相关性的极值风速以及规范设计风速对比,结果表明,宁波地区台风极值风速估计应考虑风向相关性,不考虑风向相关性的极值风速及规范设计风速都给出了偏风险的极值风速估计值.     

用于结构风致疲劳分析的风速风向联合分布函数研究

风速风向联合分布是风荷载基本的特征之一,在进行结构风振疲劳寿命或者风振可靠性分析时,需要先求得建筑结构所在位置处的风速风向联合分布函数.本文在已有研究的基础上对风速风向联合分布函数进行进一步研究.根据气象站位置和建筑物位置处梯度风速相同,并假设以上两个位置处风向相同,提出了由气象站位置处的风速风向联合分布函数得到建筑物位置处联合分布函数的方法.本文以广州气象站测得的气象资料作为分析实例,所得的结果可为结构风振疲劳寿命或者可靠性分析提供参考.     

风向风速的联合概率结构建模

风向和风速的联合分布模型是结构工程和风能研究领域的重要参数,但两者的相关性等致使模型建立困难。基于乘法定理导出离散-连续混合联合分布模型,明确各项的物理和数学意义,并指出将风向风速离散-连续混合联合分布模型与2维连续联合分布模型建立联系的可能性。以重庆市日极值风数据为对象,导出风速条件密度变换解,计算出各风向上的数值解,并与经验累积分布函数比较验证数值解的准确性;然后引入混合概率密度函数对数值解进行拟合,建立风速条件概率密度的两分量混合模型,较单一概率分布模型有明显改善;将风速条件概率密度与风向频度函数相联合即可获得风向风速的离散-连续混合联合分布模型。为建立风向风速的2维连续联合分布模型,首先由风向频度函数和风向角概率直方图之间的联系确定风向角的概率直方图,再经拟合给出风向角的混合分布模型;类似地,由曲线拟合亦可获得风速混合模型中各参数与风向角的关系式,从而建立统一的风速条件概率密度模型;将两者结合起来,即为风向风速的2维连续联合分布模型。     

斜拉桥拉索风雨激振参数联合概率分布模型

为了研究拉索风雨激振特征,在洞庭湖大桥建立了现场观测系统并开展了长期观测,得到了拉索风雨激振主要影响参数--风速、雨量、风向的一维边缘分布模型。采用Archimedean Copula函数建立了风速-雨量、风速-风向、雨量-风向的二维联合概率分布模型,及风速、风向和雨量三维联合分布模型,根据拟合优度评价指标确定了各联合概率分布的分布函数和参数值。综合风雨激振发生的风速、雨量、风向的一维边缘分布、二维联合分布及三维联合分布,得到了风雨激振发生的三维联合不超越概率和三维联合超越概率模型。该模型可以计算三维超越/不超越联合概率、联合条件概率以及不同组合条件下的概率密度,评价各种风、雨条件下拉索风雨激振的发生概率。     

500kV变电站联合构架风振响应特性研究

以华中地区某500 kV变电站联合构架为工程背景,探索全联合构架风致振动响应的计算方法,借助有限元分析软件ANSYS,以随机振动理论为依据,在频域内对500 kV联合变电构架进行风致振动响应计算和分析,获得了该联合构架在0°、45°和90°风向角的不同风速的风荷载作用下,具有不同阻尼比的构架在基准高度处的位移均值响应分布和脉动响应分布规律,计算并分析了不同风向的风荷载作用下不同阻尼比的构架的风振系数与基准高度平均风速的定量关系。     

风速风向对风机塔筒结构动力响应和疲劳寿命的影响

基于气象站的观测数据,推导得到某1.25MW风机位置处的风速风向联合分布函数,对风机塔筒结构的风致响应和疲劳寿命进行计算,将计算结果与现场实测结果进行对比,系统研究了风速风向对风机塔筒结构动力响应和疲劳寿命的影响。结果表明:风向对顺风向和横风向位移响应的影响规律不一致,且风向对塔筒结构的疲劳累积损伤影响较大,在风向出现概率较大的区间产生的疲劳累积损伤较大。与考虑风向角下得到的疲劳寿命相比,不考虑风向角影响的疲劳寿命偏小。为了兼顾风机结构设计的可靠性和经济性要求,需考虑风向对风机塔筒结构疲劳寿命的影响。     

煤棚表面雪荷载数值模拟及技术要点

对于大跨结构,雪荷载往往是其控制荷载之一。在对大跨结构屋面积雪分布进行模拟时,通常面临采用何种风速作为输入风速,结果分析是否需要所有风向均进行考虑等问题。基于单方程模型方法,以某煤棚为案例,利用Fluent软件计算平台并进行二次开发,计算了多个风向角下煤棚表面的积雪分布系数。并从工程角度,提出采用现有气象数据与降雪模型相结合的方法,得到年最大降雪日伴随风速作为输入风速;同时指出,应主要关注冬日主导风向角及最不利风向角下积雪分布情况。     

考虑风速风向联合分布的双坡屋面风致疲劳研究

为研究风荷载作用下大跨度低矮建筑金属屋面板的疲劳损伤分布规律,以坡度为1/60的双坡屋面建筑为研究对象,基于1975～2019年间的风速风向数据,研究了双坡屋面板50年重现期的疲劳损伤累积值。采用Gumbel分布描述日极值风速分布,混合Von Mises分布描述风向分布,并用单参数Archimedean Copula函数描述二者的相关性,得到了风速风向的联合分布; 基于双坡屋面的测压风洞试验结果,考虑连续变化风速和离散风向角对疲劳寿命的影响,研究了金属屋面板的疲劳损伤累积值。结果表明:双坡屋面板疲劳损伤与主导风向、屋面位置等因素密切相关,位于主导风向处的迎风屋檐、边角等气流分离位置的疲劳损伤累积值远大于其他区域; 良态风环境下,该双坡屋面金属屋面板50年风致疲劳损伤累积值最大可达0.746,风荷载可引起迎风屋檐、边角位置金属屋面板的疲劳破坏; 对于金属屋面板而言,风致疲劳破坏是引发风揭事故的巨大隐患,应高度重视。     

台风与微地形综合影响下的500 kV输电铁塔倒塌分析

研究了台风“莫兰蒂”过境厦门时，500 kV漳泉Ⅱ路输电铁塔在风速、风向、微地形风速加速比三者共同作用下的受力状态与倒塌成因。基于历史气象数据和铁塔破坏形态，确定了最有可能导致铁塔倒塌的风速、风向输入条件；基于CFD仿真分析，确定了倒塔塔位处24个风向角下的风速加速比，分析了两个符合现场破坏形态的风向角下铁塔主材、斜材应力，明确了输电铁塔破坏形态同风速、风向和风速加速比的内在联系，指出了福建沿海高电压等级输电线路抗台风设计时，也应当综合考虑风速、风向以及山区微地形广泛存在的风速加速比的影响。     

影响不对称支撑圆形钢天线风致疲劳寿命的因素

在求得结构不同风向、风速下风致响应以及结构所在位置处的风速风向联合分布函数的基础上,基于经典的疲劳累积损伤理论,对一实际不对称支撑圆形截面钢结构进行风致疲劳寿命估计。通过实例分析的结果,讨论了风向、结构表面粗糙度、涡激共振以及平均风速等重要因素对结构风致疲劳寿命的影响。计算结果表明:1)风向对结构的风致疲劳累积损伤影响较大,在出现概率大的风向区间内造成的疲劳累积损伤较大;2)结构表面粗糙度对结构的风致疲劳寿命影响也较大,疲劳寿命随着表面粗糙度的增加而减小;3)涡激共振对结构的疲劳寿命有一定的影响,在计算结构的风致疲劳寿命时,不应该忽略涡激共振的影响;4)平均风荷载对结构的风致疲劳寿命影响较小。     

佛山地区考虑风向影响的基本风速统计分析

基于南海气象站的气象资料,首先对三种极值分布的参数进行估计,并对三种极值分布进行线性相关性检验,得出南海气象站风速极值分布更接近Weibull分布;其次对Weibull分布参数的谐波函数拟合曲线,得到任意风向角下的分布参数;最后分析各风向角下的基本风速;所得到的结果可为建筑结构抗风设计提供参考.     

基于风电场最大风速情况对风机基础的优化设计

由于风电场一般均建在风向较固定区域,风机基础的受力往往出现偏心极大方向和极小方向。针对此种情况,并结合风电场风资源特性,考虑各风机点位特点,论文提出"最大风速玫瑰图"概念,给出了风机基础设计的新思路,并通过"最大风速玫瑰图"将常规圆形、八边形基础,优化为矩形基础,使风机基础受力性能更好,有效减少基础混凝土量,同时节省项目建设时间。     

基于台风风谱的电视塔风场数值模拟

针对上海青浦电视塔的结构形式及振动型态的特点,考虑脉动风的竖向相关性以及电视塔结构风速谱随竖向位置变化的特性,本文基于台风基本特性,采用随高度变化的田浦台风风速谱以及不随高度变化的石沅台风风速谱,运用数值模拟方法,仿真得到了与塔高竖向相关的43条脉动风速时程样本。经与采用不随高度变化的Davenport谱的结果相比较,得出一些有意义的结论。为提高计算效率和计算精度,引入了快速傅立叶变换技术。通过比较自功率谱和自相关函数可以看出,模拟值和目标值吻合得很好,从而验证了本文计算的准确性与有效性。     

实测风场风速风向耦合的三维非平稳特征研究

为了获取考虑风速风向耦合效应的实测风场非平稳特征，在获取三维脉动风速时程的过程中，采用EMD方法建立了三维脉动非平稳风速模型，并推导出了脉动风速时程表达式，进一步发展了风速时变标准差、时变湍流强度的概念。以高层建筑实测台风数据作为算例，并与平稳风速模型进行对比分析，验证了非平稳风速模型的准确性和优越性：不需要选取基本时距；时变的物理量能反映微观特征，更能反映风速的非平稳性。通过平稳度指数检验了数据分析过程的平稳性特征，结果表明：风速在频域内的平稳性指数随着频率的增大而逐渐增大；不考虑风向时，风速的平稳性指数大小是与风速的变化速率相关的；非平稳风速模型所计算的脉动风速平稳性较平稳性模型方法所分析结果有所改善。     

Gumbel分布的基本风压计算与分析

统计了中国159个代表性城市在1951—2008年的历年最大风速值,采用Gumbel分布进行统计分析并对其参数进行估算。用矩法和耿贝尔法分别计算出重现期为10、50、100 a的基本风压值,并采用柯尔莫哥洛夫检验法进行检验,最后与规范取值进行对比分析。结果表明,当采用Gumbel分布对中国各地区的最大风速年极值进行统计时,耿贝尔法比矩法拟合效果好;重现期为10、50、100 a的基本风压值对比分析表明,《建筑结构荷载规范》(GB 50009)的基本风压值与采用近58 a的历年最大风速值计算的基本分压值相比     

动力敏感性结构风荷载全阶概率分析方法

高层建筑主体结构设计风荷载受来流风速的方向性影响较为明显,传统风荷载估算方法偏于保守。为此,提出一种考虑风向的风荷载全阶概率分析方法,基于可靠度理论将单风向的风荷载概率分布表达成风荷载效应系数极值和来流风速极值的概率分布函数。为了计入结构动力敏感性的影响,基于风洞试验获得的结构气动力数据,通过对结构动力响应分析,将风荷载效应系数极值的概率分布参数表达成来流风速的函数,进而结合各个风向的风荷载概率分布数据,给出了动力敏感性结构具有一定保证率的风荷载。最后,将所提方法的计算结果与蒙特卡洛模拟方法和传统方法的计算结果进行了详细对比。结果表明,本文方法计算结果与蒙特卡洛方法模拟结果吻合较好,传统的最不利荷载法和风向折减方法计算结果过于保守。     

建筑结构基本风速和基本风压问题浅析

重点介绍了确定基本风速和基本风压的标准,包括地面粗糙度类别、标准高度、标准重现期、平均风的时距、最大风速的样本取法以及概率分布类型,以使工程设计人员对我国规范基本风速和基本风压的取值有一个更深刻的认识。     

基于GIS的武汉市夏季风环境研究

武汉是典型夏热冬冷城市,2012年起武汉市开展城市风道规划以缓解城市夏季高温。本文基于武汉市都市发展区27个气象站点实时监测数据,借助ARCGIS10.0和Origin8.0对武汉市多年夏季一天风速风向进行分析。研究发现受城市中心区地表粗糙度的影响,中心区风速远小于近郊区风速,随着中心区高强度开发,全天中心区与近郊区风速差呈现增大趋势;离长江、湖泊较近的站点的风向会受到内陆湖风的影响,与当日盛行风不一致。研究还发现因城市中心区下垫面复杂,影响风速因素较多,仅从城市建筑形态分析与各站点风速相关性略显不足。