非平稳极端风实测、建模和模拟及高层建筑风致响应研究

发布时间：2018-12-11 23:40

【摘要】：在自然界中,诸如台风或飓风、龙卷风以及下击暴流等非平稳极端风荷载给土木工程结构的抗风设计带来了极大的挑战。随着社会的不断发展,诸如广州塔、上海中心大厦、国家体育场、琼州湾海峡大桥以及墨西拿海峡大桥等一些超高或超大跨的大型结构已修建完成或正在规划当中。这些结构的刚度很小,基本自振周期甚至可达10-20 s,这势必会使得非平稳极端风荷载作用下结构的瞬态响应更加突出。虽然近些年非平稳极端风及其作用下的结构响应研究已取得了一些成果,但仍有许多问题亟待解决。论文围绕非平稳极端风的实测、建模和模拟及高层建筑风致响应等方面展开深入的研究,主要的工作和成果如下:详细介绍了开发的高频风速仪远程传输系统,其中包括系统的架构、数据传输和处理、主要特点及其实际工程应用等。与传统数据采集方法相比,该系统具有实时传输、无需人工采集数据、不受现场条件的影响以及成本较低等优势,因此可极大方便偏远地区的现场实测。以普立特大桥为实际工程背景,对桥位处的山区风场特性展开了实测研究。基于实测出的强风数据,对山区风场特性进行了分类,并对不同天气特性下的平均风特性展开了研究。最后,重点分析了下击暴流的脉动风特性。研究表明:热驱动风是山区风场的主要天气特性,但山区下击暴流也时常出现;下击暴流的10 min平均风速可达13.3 m/s,不同下击暴流的平均风向差别较大;下击暴流发生时刻的10 min平均风攻角大部分为正值;拟合出的10 min平均风剖面与现有下击暴流风剖面模型存在一定差别;竖向风速的时变紊流强度整体高于水平风速的紊流强度;下击暴流水平和竖向风速的相干函数均具有明显的时变特征,且前者整体而言大于后者。提出了一种基于随机波的多点非平稳随机过程模拟方法,该方法的核心思想则是将沿直线分布的多点非平稳随机过程模拟转化为一维非平稳随机波的模拟,其中的转化条件为相干函数只能是距离和频率的函数。论文首先阐述了三角函数直接叠加的随机波模拟公式,该公式虽可避免Cholesky分解,但其效率仍需提高。然后,本文采用本征正交分解(POD)对随机波的二维演化功率谱(EPSD)进行解耦,从而将非平稳非均质随机波的模拟转化为许多时间和空间均匀调制的平稳均质随机波模拟之和,进而可采用二维快速傅里叶变换(FFT)进一步提高模拟效率。算例结果表明:所提方法在保证满意精度的同时,可极大提高平稳及非平稳随机过程的模拟效率。基于Sigma波动过程理论,从另一角度推导出了 Wold-Cramer分解模型理论,详细探讨了两者之间的关系,并采用后者进行了基于演化谱的时变相干函数建模。将原始基于POD的非平稳随机过程快速模拟方法拓展到考虑时变相干函数的非平稳随机过程模拟。最后,通过两组实测的下击暴流数据对本文理论和方法进行了验证。算例结果表明:估计出的相干函数具有明显的时变特征,且其变化趋势基本与对应时变标准差的波动趋势保持一致;随着距离的增大,时变相干函数衰减明显;当不同高度处的演化功率谱密度差别较大时,采用基于POD方法进行非平稳随机过程快速模拟会出现一定的误差。基于建立的时变相干函数理论框架,将传统考虑时不变相干函数的高层建筑顺风向响应分析框架拓展到考虑时变相干函数,并通过数值算例对本文的理论框架进行了验证。在此基础上,重点对比了不同时变风剖面作用下时变相干函数模型及其对应时不变相干函数模型在结构响应方面的差别。数值算例表明:当高度为300 m时,时变相干函数模型作用下的结构顶层位移响应标准差明显大于时不变相干函数模型下的计算结果,最大可相差41%;考虑顶层位移的平均极值时,时变相干函数的影响将会减少,但其最大仍可达10%。
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【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU973.213

【参考文献】