基于实测与规范风谱的三塔悬索桥抖振性能对比(3)

结构特点对基于谱特性的三维脉动风场进行了简

并从功率谱和相关性2个方面验证了该模化模拟，

拟方法，旨在为该桥抖振响应非线性时域分析提供

准确可靠的脉动风速时程．

泰州大桥风场可以简化成5个独立的一维多变量随机风场，如表1所示．运用风场模拟的谐波合成法，对沿跨度方向80m（钢箱梁标准节段长度的5倍）等间距分布的主梁风场和沿竖向30m等间距分布的主塔风场进行了模拟．模拟点分布如图3所示．

表1

风场号12345

高度Z处平均风速U（z）的顺风向脉动风功率谱密度函数为

nSu（n）495.4f

=2

u（1+5.54f1/2.12）

nSw（n）5f

=2

u（1+3.2f）

5×2.12/3

（1）

竖向脉动风功率谱密度函数为

1.7

（2）

Su（n）为顺风向功率谱密度函数；Sw（n）为竖式中，

向功率谱密度函数；n为自然风的脉动频率；f为莫

宁坐标；u为气流摩阻速度．3.2

主梁风场模拟运用谐波合成法别采用Kaimal谱用Panofsky谱

［13］

［12］

简化的5个独立一维脉动风场

位置主梁主梁

方向横桥向竖向横桥向横桥向横桥向

间距/m

8080303030

模拟点数2828777

获得该桥主梁28个点的

主梁横桥向目标谱分横桥向与竖向脉动风速时程，

和实测谱的顺风向谱，竖向采

［14］

左边塔中塔右边塔

和实测谱的竖向谱，脉动风速谱

［1］

的相干函数采用Davenport相干函数．选用其他

参数具体如下：截止频率ωu=4πrad/s；频率分段数N=1024；样本时距Δt=0.25s；选用时段长

图3

三维脉动风场模拟点布置（单位：m）

1800s．根据现行《公路桥梁抗风设计规范》，取桥即6.6m高度址区百年一遇设计风速为模拟风速，处平均风速为27.1m/s，根据风速沿高度的指数变化规律对主梁和主塔高度处风速进行换算．共计生成了50个风场样本，并从功率谱和相关性2个方面对模拟结果进行了校核．图5给出了主梁模拟自谱与目标谱的对比图，图6给出了主梁模拟风场相关函数与理论值的对比图．

由上述功率谱和相关函数对比图可知，模拟谱与目标谱对应值十分接近，模拟的相关函数与理论值也相差不大，验证了本文所采用的三维脉动风场模拟方法的准确性与可靠性．3.3

主塔风场模拟

由于桥塔上各点的风速不同，模拟桥塔的风速时程时，互谱密度函数需要考虑相位角．风谱密度根据对应风谱密矩阵（复数矩阵）有可能不正定，

度矩阵题正定性将风频值划分为正定和不正定区间．在风频值正定区间内，可直接将风谱密度矩阵进行Cholesky分解；而在风频值不正定区间内，采用插值技术近似获得风谱密度矩阵分解式

［15］

3.1

实测风谱模型

2005年—2012年间，本课题组在润扬大桥、苏

通大桥进行多次台风实测并基于桥梁结构健康监测系统数据库得到了海鸥、凤凰、韦帕、卡努、麦莎、冬季強北风等数据资料．基于Matlab平台，经过数据预处理进行了桥址区风特性分析，运用FFT技术得到实测风谱的PSD（powerspectrumdensity）函数．运用非线性最小二乘法对纵向及竖向的经验谱进行拟合以得出实测风谱（见图4）

．

．

［13］

主塔顺风向目标谱分别采用Kaimal谱和

实测谱的顺风向谱，脉动风速谱采用Davenport相干函数

［1］

．选用其他参数如下：截止频率ωu=4π

rad/s；频率分段数N=1024；样本时距Δt=0.25s；选用时段长1800s．同样利用上述参数生成了

图4

实测风谱与规范风谱对比图

50个风场样本，并对模拟结果进行了校核．图7和

http：//journal．seu．edu．cn