简谐波叠加法模拟风谱

风环境

2005年1月沈阳建筑大学学报(自然科学版)

JournalofShenyangArch.andCiv.Eng.Univ.

　Jan.　2005

Vol121,No11

第21卷第1期　

简谐波叠加法模拟风谱

阎　石,郑　伟

(沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110168)

摘　要:目的模拟脉动风荷载,在时域内实现数值模拟建筑结构的内力分析和变形计算.方法采用Daven2

port风速谱并根据Shinozuka理论,应用简谐波叠加法分别模拟了脉动风速、脉动风压和脉动风荷载时程曲线.结果求出了该风谱的功率谱密度和相关函数,并分析了某12层框架结构的顶层位移和加速度反应.证明此方法高速有效,且符合工程精度的要求.结论理论值和实测值的比较结果表明简谐波叠加法是一种正确有效的风荷载分析方法,能够反映结构的基本动力特性,对高层建筑的风振控制有一定的应用价值.关键词:模拟风谱;简谐波叠加法;谱分析;风振反应

中图分类号:TU973　　　文献标识码:A　　　文章编号:1671-(200504

　　匀性,.而袒露于大气中的建筑物,自由流动,方面的影响:,地面辐射、大气本身的辐射、水汽的蒸发;二是力学因素,如水平气压梯度力、地球自转偏心力、摩擦力等的影响,因此,风是一个随时间和空间的永远不断变化的随机过程.工程中为了简化计算也是为了实际应用,进行了不同程度地简化.

建筑高度的增加和高强材料的应用,使得结构的刚度降低,阻尼减小,在风和地震的作用下反应更加强烈.另外与地震荷载相比,风荷载作用频繁、而且时间较长,所以特别是对于柔性较大的高层建筑影响比较大,风工程这一领域越来越为科研工作者所关注.

1940年,美国塔科马悬索桥发生严重风毁事件震惊了桥梁工程界,由此开始了土木工程界对风致振动的研究[2].为了更精确地研究风对建筑结构的作用,得到更直接的风振反应,许多科研人员开始在时域内研究风荷载.随着近年来计算机技术的飞速发展,风谱模拟分析技术不断得到改进,已逐渐应用到工程当中.本文应用简谐波叠加法模拟风谱,并用算例证明此法高速、有效、且符合工程精度要求.

:一种是长周期

,10min以上,这部分称为平均风,也叫稳定风;另一种是短周期部分,其周期只有几s到几十s,是在平均风基础上的波动,称为脉动风,也叫阵风脉动(如图1所示).平均风 v的周期远远大于一般结构的自振周期,因而其作用性质相当于静力荷载,而它的大小是一个随机变量.

脉动风是由于风的不规则性引起的,可以看作是一个各态历经的平稳高斯随机过程,周期与结构物的自振周期较为接近,其作用性质是动力的,是引起结构振动的主要因素.

图1　平均风与脉动风

1　风荷载的特点

从大量顺风向风荷载的实测资料可以看出,风

　　建筑物在平均风和脉动风的共同作用下,可以

看作是平均风把建筑物吹到一平衡位置,然后建筑物在脉动风的作用下在这一平衡位置产生振动(如图2所示).在考虑建筑物的抗振问题时,就可以把平均风看成是静力作用,笔者只研究脉动风的影响.

　　收稿日期:2004-09-25

基金项目:辽宁省自然科学基金项目(2001102003)

作者简介:阎石(1964-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事抗震方向的研究.