非平穩(wěn)極端風實測、建模和模擬及高層建筑風致響應研究.pdf

1、在自然界中，諸如臺風或颶風、龍卷風以及下?lián)舯┝鞯确瞧椒€(wěn)極端風荷載給土木工程結構的抗風設計帶來了極大的挑戰(zhàn)。隨著社會的不斷發(fā)展，諸如廣州塔、上海中心大廈、國家體育場、瓊州灣海峽大橋以及墨西拿海峽大橋等一些超高或超大跨的大型結構已修建完成或正在規(guī)劃當中。這些結構的剛度很小，基本自振周期甚至可達10-20s，這勢必會使得非平穩(wěn)極端風荷載作用下結構的瞬態(tài)響應更加突出。雖然近些年非平穩(wěn)極端風及其作用下的結構響應研究已取得了一些成果，但仍有許多問題

2、亟待解決。論文圍繞非平穩(wěn)極端風的實測、建模和模擬及高層建筑風致響應等方面展開深入的研究，主要的工作和成果如下:
　　詳細介紹了開發(fā)的高頻風速儀遠程傳輸系統(tǒng)，其中包括系統(tǒng)的架構、數(shù)據(jù)傳輸和處理、主要特點及其實際工程應用等。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法相比，該系統(tǒng)具有實時傳輸、無需人工采集數(shù)據(jù)、不受現(xiàn)場條件的影響以及成本較低等優(yōu)勢，因此可極大方便偏遠地區(qū)的現(xiàn)場實測。
　　以普立特大橋為實際工程背景，對橋位處的山區(qū)風場特性展開了實測研究?；?/p>

3、于實測出的強風數(shù)據(jù)，對山區(qū)風場特性進行了分類，并對不同天氣特性下的平均風特性展開了研究。最后，重點分析了下?lián)舯┝鞯拿}動風特性。研究表明:熱驅(qū)動風是山區(qū)風場的主要天氣特性，但山區(qū)下?lián)舯┝饕矔r常出現(xiàn);下?lián)舯┝鞯?0min平均風速可達13.3m/s，不同下?lián)舯┝鞯钠骄L向差別較大;下?lián)舯┝靼l(fā)生時刻的10min平均風攻角大部分為正值;擬合出的10min平均風剖面與現(xiàn)有下?lián)舯┝黠L剖面模型存在一定差別;豎向風速的時變紊流強度整體高于水平風速的紊流強

4、度;下?lián)舯┝魉胶拓Q向風速的相干函數(shù)均具有明顯的時變特征，且前者整體而言大于后者。
　　提出了一種基于隨機波的多點非平穩(wěn)隨機過程模擬方法，該方法的核心思想則是將沿直線分布的多點非平穩(wěn)隨機過程模擬轉(zhuǎn)化為一維非平穩(wěn)隨機波的模擬，其中的轉(zhuǎn)化條件為相干函數(shù)只能是距離和頻率的函數(shù)。論文首先闡述了三角函數(shù)直接疊加的隨機波模擬公式，該公式雖可避免Cholesky分解，但其效率仍需提高。然后，本文采用本征正交分解(POD)對隨機波的二維演化功率譜

5、(EPSD)進行解耦，從而將非平穩(wěn)非均質(zhì)隨機波的模擬轉(zhuǎn)化為許多時間和空間均勻調(diào)制的平穩(wěn)均質(zhì)隨機波模擬之和，進而可采用二維快速傅里葉變換(FFT)進一步提高模擬效率。算例結果表明:所提方法在保證滿意精度的同時，可極大提高平穩(wěn)及非平穩(wěn)隨機過程的模擬效率。
　　基于Sigma波動過程理論，從另一角度推導出了Wold-Cramer分解模型理論，詳細探討了兩者之間的關系，并采用后者進行了基于演化譜的時變相干函數(shù)建模。將原始基于POD的非平穩(wěn)

6、隨機過程快速模擬方法拓展到考慮時變相干函數(shù)的非平穩(wěn)隨機過程模擬。最后，通過兩組實測的下?lián)舯┝鲾?shù)據(jù)對本文理論和方法進行了驗證。算例結果表明:估計出的相干函數(shù)具有明顯的時變特征，且其變化趨勢基本與對應時變標準差的波動趨勢保持一致;隨著距離的增大，時變相干函數(shù)衰減明顯;當不同高度處的演化功率譜密度差別較大時，采用基于POD方法進行非平穩(wěn)隨機過程快速模擬會出現(xiàn)一定的誤差。
　　基于建立的時變相干函數(shù)理論框架，將傳統(tǒng)考慮時不變相干函數(shù)的高層