POD方法在双坡屋盖风压场预测中的应用

应用本征正交分解(POD)技术对双坡屋盖的随机风压场进行了预测。结合风洞试验同步测量的风压数据,采用了两种方案预测屋盖上未布测点位置的风压系数时间序列。预测出数据的统计特性(均值、均方根值及极值)和功率谱等与实测数据进行了比较,发现所预测风压系数时间序列的均值和均方根值精度较好。虽然预测的风压极值大部分被低估,但是预测数据的功率谱在低频段与实测数据相吻合。因此将预测的数据应用于结构的风致响应计算是可行的。     

基于动力学模态分解的大跨度平屋盖风压场研究

采用经过嵌入维数改进的动力学模态分解(DMD)方法和本征正交分解(POD)方法对大跨度平屋面的随机风压场进行分析。结果表明:利用Takens嵌入定理来增加原始快照矩阵的空间维数,能够挖掘风洞试验数据集中隐藏的模糊动态特征;POD和DMD的模态分布均能够反映脉动压力场典型漩涡的主要特征,但POD的每个模态包含多个频率的信息,这在一定程度上让POD的模态成为多个频率段脉动的耦合,而DMD方法分解模态是单频模态并且可以得到每个模态的稳定性。相同比例的POD模态所占的能量比例大于DMD模态结果,但当使用相同比例的模态进行脉动风压场重构时,DMD方法比POD方法的重构结果更能够描述和契合原始脉动压力场的局部特征,这是由于DMD方法是直接对压力场进行重建,而POD方法主要是重建能量场,因此在揭示随机风压场时空演化特征,DMD方法更具优势。     

POD方法在重建双坡屋盖风压场中的应用

讨论了本征正交分解(POD)方法在重建双坡屋盖随机风压场上的应用。利用风洞试验同步测量了屋盖上非均匀分布的测压点的风压时间序列,借助相关矩阵和协方差矩阵本征值问题分析,分别对包含均值分量的随机风压场和不含均值分量的脉动风压场进行了重建。通过在时域和频域上与实测数据的对比分析说明了POD方法在重建双坡屋盖随机风压场中的有效性,总结了屋盖上不同区域脉动风压场重建的规律,并指出仅使用相关矩阵的第一阶本征模态就可以很好地重建屋盖的平均风压场。     

本征正交分解用于屋盖风振分析的模态截断准则

提出一种基于节点方差比用于风力场重建的模态截断准则.所定义的方差比刻画了各个节点上的脉动风力方差的近似程度.方差比的收敛速度不仅取决于本征特征值而且取决于节点的位置.另外,提出以方差补偿技术改善风致响应计算精度.根据风洞试验和高频压力积分技术得到的风荷载,应用所提出的模态截断准则和方差补充技术重建了一球壳屋盖的风力场,讨论了新的模态截断准则在确定屋盖结构风致响应中的有效性.     

POD原理解析及在结构风工程中的几点应用

本征正交分解(POD)是压缩数据和提取随机场本质特征的有效技术.介绍了POD的基本原理及其在结构风工程研究方面的主要优点,这些优点包括仅使用少量的本征模态就可很好的重建风压场;预测风压场时可提高测压点的分辨率,根据已有的风压数据获得没有布置测压点处的风压时间序列.以双坡屋盖为例,利用风洞试验同步测量的风压数据对以上几方面基本内容进行讨论,包括风压场的重建和预测分析.通过在时域和频域与实验结果对比表明POD技术的有效性和实用性.     

基于相干函数矩阵的风场本征正交分解

提出了基于相干函数矩阵的风场本征正交分解(CPOD,Coherency matrix-based POD)。首先推导了基于功率谱函数矩阵的本征正交分解。通过引入功率谱矩阵的预分解,将推导过程中的功率谱矩阵特征值分解改进为相干函数矩阵的特征值分解,得到了CPOD的表达式。对CPOD作频域离散化,得到了基于CPOD的谱表示法随机风场模拟公式。以模拟某18点脉动风速场为算例,对比分析了CPOD与SPT振型的特征并验证了所提模拟算法的有效性。结果表明,CPOD的显式分离特性使得它具有比POD更加明确的物理意义,并适用于风场特征分析。     

Kriging-POD法在预测大跨屋盖风荷载中的应用研究

结合POD (Proper Orthogonal Decomposition)技术与Kriging法,提出用于空间数据插值的POD-Kriging方法;基于大跨屋盖结构表面风压的数据,实现了对风压的空间重构与预测。预测的平均风压系数、脉动风压系数、脉动风压的时域与频域特性与风洞实验结果吻合良好。表明该文提出的预测方法在大跨结构表面风压的预测是可行的。     

神经网络方法在大跨度屋面风压研究中的应用

大跨度结构屋盖表面风压系数和功率谱的测量对于结构风振响应的计算有重要意义。提出了根据有限的风洞试验测试结果用神经网络方法预测未知点平均和脉动风压系数、以及脉动风压的自功率谱和互功率谱函数的方法,并将这一方法应用于一座实际大跨度屋盖结构,其预测结果与实测值吻合得较好。这为研究大跨度屋盖结构的风荷载和风振响应分析提供了一个有效方法。     

基于本征正交分解的谱表示法模拟风场的误差

推导了本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)型谱表示法模拟所得平稳正态脉动风场的偏度误差和随机误差.从POD型谱表示法的模拟公式出发,推导了Ⅳ变量风场模拟结果序列的样本均值、相关函数、功率谱函数和根方差等前二阶矩统计特征的时域估计表达式;并证明了时域估计相关函数是正态过程,功率谱函数为非正态随机过程.进一步,计算上述样本时域估计二阶矩特征的均值和根方差,即得到了POD型谱表示法模拟所得风场的各统计量时域估计的偏度误差和随机误差,并以此给出了误差计算的通式.算例中统计误差和理论误差值的对比验证了所推导的解析解.     

准静力补偿技术在大跨度屋盖结构风致响应计算中的应用

大跨度屋盖结构因跨度大、质量轻等特点对风荷载较为敏感,风荷载通常是结构设计的控制荷载.该类结构风致响应计算表现出多模态参与以及模态耦合项不能忽略的特点,采用传统模态叠加法截取模态数多导致计算繁琐,因此需要研究一些精确而高效的方法.将准静力补偿技术应用于风致响应分析中,块里兹向量法在前处理阶段考虑脉动风荷载的空间分布特点,生成的初始向量为脉动风荷载空间分布模式的静力响应,保证生成的向量都对响应有贡献,而模态加速度法在后处理阶段采用准静力补偿理论补偿被忽略的高阶模态带来的误差,基于准静力补偿技术建立上述两方法之间的紧密联系.借助风洞试验同步测量的风压数据,以0.1矢跨比单层球面网壳结构为例进行风致响应计算,通过对比分析验证准静力补偿技术有效性.     

大跨平屋盖风荷载特性及风压预测研究

在大气边界层风洞中开展了大跨平屋盖结构刚性模型试验,获得了屋盖表面测点的风压时程,分析了典型风向下屋盖表面平均风压与脉动风压特性.结合本征正交分解技术(POD)与BP神经网络法,提出了一种可用于大跨结构进行空间插值的机器学习法一POD-BPNN法,实现了对风压的高效预测.预测的平均风压系数、脉动风压系数、脉动风压的时域...     

结构风振分析中的脉动风荷载频率补偿方法

以风洞试验相似理论和随机振动理论为基础,提出了风振分析中的脉动风荷载频率补偿问题,即根据已有的测点风压数据重构脉动风荷载的高频部分,其目的是解决由于缩尺比导致的试验采样频率转化为原型荷载频率后所存在的高频截断问题。对脉动风荷载频率补偿的必要性进行了探讨,指出被截断的高频信号可能导致结构风振响应分析结果失真;结合脉动风荷载能谱理论和本征正交分解(POD)技术提出了一种实用的频率补偿方法;结合一风洞试验分析了考虑频率补偿与否对单层网壳结构风振响应分析结果的影响,验证了方法的有效性。     

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     

Wind pressure features of large-span flat roof in different wind fields induced by conical vortex

The wind pressure features on a large-span flat roof in uniform flow field and turbulent field induced by conical vortex were studied, through wind tunnel tests. From the comparison of the mean and fluctuating wind pressure distributions on a flat roof in different wind fields induced by conical vortex, results indicate that the mean suction dominates in the smooth flow, whereas the fluctuating suction is more obvious in the turbulent flow. The probability density function for the pressure fluctuations under different approaching flows is analyzed. The two-peaked distribution, peculiar to turbulent flow field, is observed on the curve of probability density. The fluctuating pressures at reattachment points are larger under the turbulent flow. This indicates a more intense reattachment, which may cause overturning moment for roof-mounted items. Point vortex, RanKine vortex, and simplified Cook expression are applied to fit the pressure profiles beneath conical vortices, respectively. The results have shown that the RanKine vortex model and simplified Cook expression were applicable to forecast the wind pressure profiles beneath conical vortices, while point vortex underestimated the real wind suction. The wind pressure distributions in turbulent fields induced by different wind angles were contrasted, when the approaching flow is along the diagonal of the roof, the intensity of the vortex pairs is almost equal, with obvious reattachment. When the approaching flow deviate from the diagonal of the roof, the lateral turbulent component spins the vortex more quickly; this induces larger mean suctions beneath windward vortices. Smaller suctions are observed beneath the leeward vortex, due to less vorticity being converted to vortex motion from the freestream.     

鞍形屋盖极值风压系数模糊聚类分区研究

以鞍形屋盖为研究对象,针对其破坏主要始于屋盖边缘等部位的现象和关于鞍形屋盖风压分区无据可循的现状,围绕鞍形屋盖风压系数分区问题,采用模糊C均值聚类根据风易损程度将鞍形屋盖表面划分为多个区域。分区过程中,针对模糊C均值聚类对初始变量具有依赖性的问题进行了改进,包括采取预先限制聚类数目最大值与采用有效性指标确定最优聚类数目的方式。基于此,给出了鞍形屋盖表面的最不利平均、极值风压系数分区图,并计算了各区域的分区风压系数。     

Two dimension-reduction probabilistic models for simulating nonstationary turbulent wind fields

The reasonable modeling of a nonstationary stochastic turbulent wind field is an important basis and premise for the analysis of the wind-induced response and reliability of engineering structures. In the present study, two dimension-reduction probabilistic models are established for simulating the multi-dimensional and multi-variable nonstationary turbulent wind fields based on the double proper orthogonal decomposition (DPOD) and the double spectral representation method (DSRM). Among them, the DPOD, originally used to simulate a stationary turbulent wind field, is extended to a nonstationary one, and the DSRM is a newly proposed method for a nonstationary turbulent wind field with a large number of simulation points. In essence, the DPOD is a discrete method with explicit physical significance and flexible spatial location of simulation points, while the DSRM is a continuous method, of which the simulation efficiency is theoretically independent of the number of simulation points. Furthermore, by introducing the dimension-reduction methods based on random function and POD-FFT (Fast Fourier transform) technique into the DPOD and the DSRM, the nonstationary stochastic turbulent wind field can be effectively described with merely three elementary random variables. Numerical examples of the nonstationary stochastic turbulent wind fields acting on a long-span bridge and a communication tower fully verify the effectiveness and superiority of the proposed methods.     

单层球面网壳结构风致响应计算的块里兹向量法

单层球面网壳结构自振频率密集，且高阶模态可能对结构的风致响应有较大贡献。利用传统模态叠加法计算结构风致响应时需截取较多的模态，导致计算效率较低。本文提出的块里兹向量法所生成的向量都是被荷载所激发的，因此仅使用少数向量即可获得准确的响应结果。块里兹向量迭代所需的多荷载模式可以利用本征正交分解（POD）技术获得，这种技术将脉动风压场分解为与时间无关的协方差模态以及与空间位置无关的主坐标。根据风洞实验同步测量的风压数据，利用本文计算了0．1和0．2矢跨比的单层球面网壳的风致响应。通过与传统模态叠加法计算结果的对比分析说明了本文方法的有效性。