【《变风向下结构风压分布规律及特性分析案例》4700字】

变风向下结构风压分布规律及特性分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u10233变风向下结构风压分布规律及特性分析案例 123291.1基于HHT法的非平稳时程时频分析 1101671.1.1EMD理论 2215231.1.2Hilbert变换与Hilbert谱 530181.2风荷载特性分析 6281461.2.1时变平均风压系数 6113991.2.2脉动风压系数 10324611.3定风向和变风向下大跨屋盖结构风荷载特性对比分析 12261971.1.1平均风压系数对比分析 12152001.1.2脉动风压系数对比分析 15对大跨屋盖进行抗风研究首先就要了解它的风荷载特性，目前虽然有很多关于大跨屋盖结构确定等效静力风荷载的研究，但其都是在基于风向保持不变的情况下进行的研究。而实际上风向随时间在变化，这影响了大跨屋盖结构风压分布规律及特性。因此对比传统分析方法下的大跨屋盖结构风荷载特性与考虑风向变化的大跨屋盖结构风荷载特性，哪一个分析方法更为合理，这些都是摆在工程设计人员和研究人员面前的重要问题。本章主要研究变风向下大跨屋盖结构典型测点的风压分布规律及特性，并对比分析定风向下的大跨屋盖结构典型测点的风压分布规律及特性。1.1基于HHT法的非平稳时程时频分析在紊流场中，不断变向的风属于非平稳随机振动信号，作用于结构表面的风荷载也是非平稳随机时程，需要用非平稳时程分析方法进行数值分析。目前比较常用的有短时傅里叶变换、Wigner-Ville分布、小波变换和Hilbert-Huang变换方法（HHT）等。但由于短时傅里叶变换只适合分析带宽不变的非平稳信号；小波变换虽具有可变的时频窗，但只要确定某一小波基，就要以此分析下去，自适应能力差；Wigner-Ville分布虽有较高时频分辨率和良好的自适应能力，但交叉项和负项较多。HHT变换与短时傅里叶变换、小波变换相比，时频分辨率和自适应能力更好，与Wigner-Ville分布相比，没有严重的交叉项和负项，且能表现原始信号的特征，所以本文选用HHT法分析出现的非平稳随机时程。HHT主要由经验模态分解法（EmpiricalModeDecomposition，简称EMD）和Hilbert谱分析组成，属于时频分析方法，目前在结构风工程领域被广泛应用。首先通过EMD分解法将非平稳信号时程分解成有限个固有模态函数（IntrinsicModeFunction，简称IMF）分量，再对IMF做Hilbert变换，获得时间-频率-幅值的三维能量频谱分布图，也叫Hilbert时频谱。1.1.1EMD理论EMD方法的核心思想是：由多个不同时间尺度的振荡波组成一个非平稳随机信号，IMF分量被包含在其中，通过一些手段将IMF从原始数据组中提取出来，再对每个IMF分量及其相应频谱进行分析，就得到原始序列的多尺度振荡特征。EMD法有这三个优点：1）分解得到的IMF分量是基于信号的局部特征时间尺度，每个分量代表原始序列不同时间尺度的振荡变化，趋势向代表原始序列的总体趋势；2）作为时间的函数，瞬时频率可以分辨出数据的多尺度嵌套结构。3）Hilbert谱是通过Hilbert变换得到的，因此具有明确的物理意义，反映了物理过程的能量频率时间分布。具体步骤如下：①找出信号最大极值包络线和最小极值包络线；②求得最大极值包络线和最小极值包络线的平均值为：（3-1）③求取第一个分量：（3-2）如果满足两个筛选条件，即的极值点个数与过零点个数之差不超过一个，和由上下极值形成的包络线的平均值为零，就得到第一个IMF分量，若不满足筛选要求，执行步骤④；④把当作时程曲线，重复上一次做法得到，表示的上下极值包络线均值：（3-3）直到第K次筛选的结果符合要求即：（3-4）⑤由时程曲线减去时间尺度中最小的高频IMF分量，得到第一个残差序列：（3-5）⑥因为中可能包含其它时间尺度的IMF分量，所以又要把当成新的序列，重复上述①-⑤步：（3-6），（3-7）筛选过程停止的依据根据SD门限值或者直到剩余序列成为一个单调函数，SD表示成：经过计算实践总结可知，前后两次筛选结果的SD值达到0.2到0.3时，即可停止筛选过程。最后时程曲线就可以表示为：（3-8）

图3-1EMD分解流程图

1.1.2Hilbert变换与Hilbert谱风工程研究中的信号基本都是非线性和非平稳信号，Hilbert变换实质上就是将原始信号转换成可以分析的复信号，这样做就能简单直接研究信号中含有的物理意义，比如瞬时位移和瞬时相位等。Hilbert-Huang变换（HHT）有经验模态分析（EMD）和希伯尔特分析两部分组成，其中希伯尔特分析的核心是解决如何用Hilbert变换得到的Hilbert谱分析时间序列的问题。时程曲线的HHT变换定义为：（3-9）式中，P表示柯西主值。由式（3-9）可知和是复共轭对，因此能够一个解析信号：（3-10）式中为：（3-11）式（3-9）表示和1/t的卷积积分，故Hilbert变换描述的局部特性。式（3-10）用随时间变化的相位和幅值构成的三角函数对时程曲线进行最合理的局部拟合，它的极坐标表达形式更能体现原始序列的特征。由以上的定义，能把瞬时频率表示为：（3-12）原始序列经过HHT变换后可以被每个IMF分量的瞬时频率和瞬时振幅近似（不含趋势项）表示为：（3-13）式中，和分别表示第j个IMF分量的频率和振幅，它们都是随时间发生变化的量。对序列进行Fourier展开后可得：（3-14）两种变换方式存在不同的特点，Hilbert变换得到的频率和振幅都是随时间变化的，这能很好反映原始序列的非平稳特征；通过EMD方法则能大幅提高计算效率，仅用有限的IMF分量便能刻画原始信号的特征。1.2风荷载特性分析由于考虑风向变化的风荷载是非平稳的随机过程，而根据Gramer定理REF_Ref4530\r\h[47]，非平稳风荷载可以分解成均值为零的脉动风荷载和时变平均风荷载两部分。脉动风荷载可以表现为高斯分布的平稳随机过程，产生动力作用于结构上。时变平均风荷载对结构产生的效应可以做静力分析得到。这里采用EMD分解方法REF_Ref4563\r\h[48-REF_Ref4572\r\h50]提取大跨屋盖结构考虑风向变化的非平稳风荷载的时变平均风压系数和脉动风压系数。1.2.1时变平均风压系数根据大跨屋盖结构特性，选取与第2章同样的典型测点，并对它们的风荷载特性进行分析研究。由于篇幅受限，这里以测点7为代表，在12m/s的风速下，3°/s的转速下，对它的风压系数时程（图3-2）进行EMD分解，分解得到下图3-3：图3-2测点7在3°/s转速下的风压系数时程图3-3测点7风压系数时程EMD分解通过观察风压系数时程图可知，测点7的风压系数在时间轴上比较对称，分析EMD分解后得到的固有模态函数（IntrinsicModeFunction,IMF）可知，Residual变化非常平缓，故不能直接当作时变平均风压系数。从频域角度出发，因为经过EMD分解得到的固有模态函数都是平稳的，故使用基于傅里叶变换的welch法求解imf1~imf10的功率谱，如下图3-4：图3-4a)imf1和imf2功率谱图图3-4b)imf3和imf4功率谱图图3-4c)imf5和imf6功率谱图图3-4d)imf7和imf8功率谱图图3-4e)imf9和imf10功率谱图3-4imf功率谱图分解后得到的IMF从高频到低频排序，从图3-4a)和图3-4b)可以看出imf1~imf3的能量主要集中在高频段，且峰值较小，可能这是试验设备和周围环境的噪声污染导致的，这三个模态函数应当在分析中被舍去。图3-4b)和图3-4c)中的imf4~imf6的能量主要集中在中频段，且峰值较大，可以认为这与风压信号的脉动成分有关，它们叠加后得到脉动风压系数时程，如图3-6a)。图3-4d)和图3-4e)中的imf7~imf10的能量主要集中在低频段，在0到1之间，且峰值相比其它模态函数功率谱的峰值要大很多，因此将它们与Residual叠加后可以得到时变平均风压系数，如图3-5a)所示。其它典型测点的时变平均风压系数提取方法与测点7一样，得到的时变平均风压系数如图3-5。图3-5a)测点7图3-5b)测点8图3-5c)测点10图3-5d)测点12图3-5e)测点13图3-5典型测点在3°/s转速下的时变平均风压系数时程与风压系数时程从上图可以看出：（1）测点7的时变平均风压系数从侧风面转到迎风面时，风压系数不断减小，再转向背风面时，风压系数又不断增大，这是因为测点7在迎风面时受到了气流分离的影响。（2）每个测点的实测值都在时变平均风压系数的附近波动，且波动范围较小。屋盖中心测点8和靠近中心的测点7的时变平均风压系数几乎关于时间轴对称，测点8的时变平均风压系数波动范围相比其它典型测点较小，这是因为测点8远离屋盖前缘，受来流作用的影响较小。而其它典型测点在背风面，也由于受来流作用的影响较小，它们的时变平均风压系数波动范围也较小。（3）对比分析典型测点的时变平均风压系数，测点12的波动范围最大，这是因为它在屋盖挑檐拐点处，受气流分离作用明显，且转到200°风向角下，即迎风面时，时变平均风压系数达到负极值-1.56。1.2.2脉动风压系数上节提到用EMD分解风压系数时程后得到IMF，根据功率谱筛选叠加得到脉动风压系数时程图，这里省略具体过程，得到的脉动风压系数时程图如下：图3-6a)测点7图3-6b)测点8图3-6c)测点10图3-6d)测点12图3-6e)测点13图3-6典型测点在3°/s转速下的脉动风压系数时程由上图可以观察得到脉动风压系数的波动范围较小，基本围绕0值附近波动，靠近大跨屋盖结构中轴的测点7和测点8的脉动风压系数时程基本呈对称分布。测点8脉动风压系数的波动范围相比其它典型测点较小，而测点12脉动风压系数的波动范围相比其它典型测点较大，且它从背风面转向迎风面时出现了突变。当平均风压系数出现递增或者递减时，对应的脉动风压系数就出现较大的波动。1.3定风向和变风向下大跨屋盖结构风荷载特性对比分析1.1.1平均风压系数对比分析本节给出了青岛北站模型结构上表面各个典型测点在传统分析方法下的平均风压系数随风向角的变化图，以及在风向变化下的时变平均风压系数时程图，如图3-7。图3-7a)测点7的平均风压系数图3-7b)测点7的时变平均风压系数图3-7c)测点8的平均风压系数图3-7d)测点8的时变平均风压系数图3-7e)测点10的平均风压系数图3-7f)测点10的时变平均风压系数图3-7g)测点12的平均风压系数图3-7h)测点12的时变平均风压系数图3-7i)测点13的平均风压系数图3-7j)测点13的时变平均风压系数图3-7定风向和变风向下结构表面各典型测点的平均风压系数从上图可以明显得出如下结论：测点7由于受气流分离影响，从侧风面转到迎风面时，它的平均风压系数和时变平均风压系数不断减小，再转向背风面时，风压系数又不断增大，变化规律一致，其它测点的平均风压系数和时变平均风压系数随风向角增大和减小的变化规律也相同。屋盖中心测点8的平均风压系数和时变平均风压系数的波动范围最小，而测点12无论在定风向还是变风向下，其平均风压系数的波动范围都是最大的，这是因为测点12处于挑檐拐点处，受气流分离形成的分离泡中剧烈的湍流运动影响，测点8则远离分离区。测点13的平均风压系数和时变平均风压系数最小值出现在背风面，这是因为结构在垂直于顺风向上的矢跨比很大，气流分离主要发生在背风面，进而在背风面出现负压系数极值。这也说明大跨屋盖结构在紊流场中，各测点的平均风压系数主要受到风向的影响。表3-1典型测点风压系数的统计值传统分析方法风向变化最小值最大值均值标准差最小值最大值均值标准差测点7-0.908-0.049-0.4230.272-0.911-0.055-0.4270.261测点8-0.869-0.082-0.5300.251-1.011-0.096-0.5110.238测点10-1.008-0.086-0.3340.278-1.078-0.077-0.3560.267测点12-1.572-0.115-0.4980.333-1.557-0.001-0.5190.358测点13-0.928-0.066-0.4850.275-1.020-0.149-0.5240.255从典型测点风压系数的统计值可以看出，除了测点12外，其它典型测点在风向变化下的平均风压系数的标准差都比传统分析方法的大，这说明大跨屋盖考虑风向变化下的风压比传统分析方法下的风压更加稳定。而从这两种情况下风压系数的平均值得知，大跨屋盖结