CN101476988B - 风谱模型的精细模拟方法 - Google Patents

Abstract

风谱模型的精细模拟方法是为了解决拟合风谱与实测风谱模型之间存在较大误差的问题，以更加精确地模拟出工程结构抗风分析中所采用的风谱模型。首先通过对大量的风特性实测数据进行功率谱分析来获得实测风谱模型；其次在频域内找出实测风谱模型的拐点及其位置，并根据拐点对风谱模型在频域内进行分段；最后对每段风谱模型分别进行拟合。很显然，分段拟合所得风谱模型与实测谱更加吻合，据此所得结构物所受风荷载也必将更加符合实际情况，因此能够更精确可靠地应用于工程结构的抗风设计。

Description

风谱模型的精细模拟方法

技术领域

本发明涉及一种基于现场实测结果的风谱模型精细模拟技术，尤其适用于工程结构抗风分析中对风谱模型的准确模拟。

背景技术

风灾是自然灾害的主要灾种之一，由其造成的人员伤亡和经济损失巨大。因此，研究风对结构的作用具有重要意义。经过三十多年的努力，结构风工程研究取得了很大进步，解决了一些工程实际问题，为推动科学进步和社会发展作出了贡献。

风特性的现场实测对结构风工程学科的发展具有重要价值，尤其是对与结构风工程研究密切相关的近地边界层强风特性进行测试分析，其价值更大。国外强/台风气候模式的研究自上世纪70年代以来已有不少进展，一些国家已经建立了部分风特性数据库，并据此得到了相应的风特性参数。我国这方面工作的总体水平相对比较薄弱，沿海地区强风特性的实测记录还很缺乏，目前在抗风研究中主要采用基于国外研究成果的风特性参数。由于风特性受地理位置等因素的影响，这些参考国外研究成果风特性参数并不能很好地适用于我国的特定地理位置和环境。

风谱模型能够准确反映出脉动风中各频率成分所作贡献的大小，是风特性最为主要的参数。目前常用的几种脉动风速功率谱如Davenport谱、Kaimal谱以及Karman谱等在某些重要频段内差别较大，甚至以倍计，因此必需通过实测来检验现有风谱模型的准确性，比较现有各种风谱模型的优缺点，并对风谱模型的模拟技术进行精细化研究。

由于我国有着漫长的海岸线、许多地区易受台风直接侵袭，而且近年来台风又有着愈演愈烈的趋势；另一方面，由于目前我国土木工程建设事业正在蓬勃发展，一些超大、超高、超长的复杂工程结构已开始施工。因此，为了正确地指导强/台风作为控制荷载地区的结构抗风设计，有必要通过大量风特性的测试以及合理的风谱模型模拟技术，以建立符合实际情况的风谱模型，改进现有的风荷载规范。

发明内容

技术问题：本发明的目的是创建一种基于现场实测结果的风谱模型精细模拟方法，该技术将分段模拟应用于风谱模型的拟合当中，在很大程度上解决了拟合风谱与实测风谱模型之间存在较大误差的问题，模拟出的风谱模型能够更加精确地反映结构物所处的真实的风环境。

技术方案：针对上述问题，本发明首先通过对大量的风特性实测数据进行功率谱分析来获得实测风谱模型；其次在频域内找出实测风谱模型的拐点及其位置，并根据拐点对风谱模型在频域内进行分段；最后对每段风谱模型分别进行拟合。解决上述问题所采用的技术方案流程如下：

第一步：进行大量强/台风现场实测；

实测方法有两种，一种是在台风来临期间，估计台风到达时间，将风速仪置于大跨度桥梁的跨中或塔顶，调整采集频率进行风速和风向数据的采集；另一种是通过安装在结构健康监测系统——SHMS中的风速仪进行风速和风向数据的采集，传输系统将采集系统采集的数据传送到监测中心；

第二步：对实测风速和风向数据进行功率谱分析，获得实测风谱模型；

对采集到的风速数据样本进行分析处理，选择一段风速较大且平稳的子样本，基于matlab大型数据处理软件，采用PSD功率谱密度估计方法，编写功率谱密度计算程序进行计算，获得实测风速数据的功率谱密度，以x轴为频率，y轴为功率谱密度，绘制曲线，即为实测风速数据的风谱模型；

第三步：计算实测风谱模型的拐点数目，并根据拐点数目对风谱模型进行分段；

精细模拟技术，按先直观后精确计算的方法确定拐点位置，对实测风谱模型进行分段，若风谱模型存在k个拐点，则将其分成k+1段；

第四步：对每一段风谱模型，采用非线性最小二乘法，分别进行拟合模拟；

对每一小段风谱模型，仍采用类似规范规定的顺风向功率谱表达式进行拟合，即：

$n{S}_u/{\left(u^{*}\right)}^2={\mathrm{af}}_z/{(1+{{\mathrm{bf}}_z}^{1/m})}^{\mathrm{cm}}$ 式1

f_z＝nz/U(z)    式2

式中，S_u为功率谱密度，u^*为气流摩阻速度，f_z为莫宁坐标，U(z)为平均风速，z为风速仪离地面高度，n为风的脉动频率，c取5/3，a、b和m为拟和参数；拟合过程中采用常用的非线性最小二乘法，每一段拟合所得参数a、b和m各不相同，最后获得基于实测风特性和分段拟和技术的精细风谱模型。

有益效果：风谱模型是风场模拟的基础，也是反映风特性的至关重要的参数。如果风谱模型不准确，据此所模拟出的风场不可能准确，作用于结构物上的风荷载则不准确，不可能进行有效可靠的抗风设计与研究。本专利所发明的精细模拟技术可以大大减小拟合风谱与实测风谱模型之间存在的误差，据此进行工程结构的抗风设计与研究，必将获得更加精确可靠的的结果。因此，在未来的结构风工程领域必将具有广泛的应用前景，为经济和社会发展服务。

附图说明

图1风谱模型的精细模拟技术流程图，

图2实测风谱模型与Kaimal谱的对比图，

图3实测风谱模型与常规拟合谱的对比图，

图4实测风谱模型与精细拟合谱的对比图。

具体实施方式

根据上述技术方案，基于实测风特性的风谱模型的精细模拟技术及其实现过程包括如下4个步骤：

1)在强/台风期间进行大量强/台风现场实测；

实测方法有两种，一种是每年台风来临期间，通过关注天气预报，估计台风经过结构物现场的时间，提前做好准备，携带精密测量仪器-风速仪奔赴现场进行安装，根据结构物(我们关注的一般是大跨度桥梁结构)的特征，选择合适的测量位置，针对大跨度桥梁结构一般为跨中或塔顶，将风速仪及支架安装到位并进行风速仪高度(或伸出离结构物表面距离)、风向的调整，尽量使测量的风样本不受结构物干扰，调整风速仪的零度为正北方向，通过传输线将风速仪与采集设备相连进行风速和风向数据的采集，考虑到风速仪型号及采集要求，需要调整采集设备的采样频率；另一种是通过安装在结构健康监测系统——SHMS中的风速仪进行风速和风向数据的采集，风速仪的安装方法与前面类似，数据采集是通过健康监测系统中的数据采集系统和数据传输系统实现，传输系统将采集系统采集的数据传送到监测中心，为我们处理分析数据提供方便。

2)对实测风特性数据进行功率谱分析，获得实测风谱模型；

将采集到的强/台风风速方向数据样本，通过挑选、剔除，选择一段风速较大，其变化稳定的风数据子样本进行谱分析，基于matlab大型数据处理软件，采用PSD功率谱密度估计方法，编写计算功率谱密度的程序，获得实测风谱模型。

3)计算实测风谱模型的拐点数目(k个)，并根据拐点数目对风谱模型进行分段(k+1段)；

通过计算，找到实测风谱模型曲线上的拐点，具体方法为：第一步，观察实测风谱模型曲线的变化趋势，大体确定存在的拐点数，第二步，在可能存在拐点的频率段通过精确计算确定拐点的具体位置。进行分段处理，将存在k个拐点的曲线分段为k+1段。

4)对每一段风谱模型采用非线性最小二乘法分别进行拟合。

为了更加清晰的说明上述4个步骤，绘制了风谱模型的精细模拟技术流程图，如图1所示。现以2005年8月登陆我国东部沿海的“麦莎”台风为例来介绍本专利的实施方式，具体如下：

2005年8月5日开始的“麦莎”台风被称为“江苏省本世纪最大台风”，其影响较严重。台风“麦莎”经过润扬悬索桥桥址区时，该桥SHMS中安装的风速风向仪记录了桥址区的该强风样本。对其进行功率谱分析，得到实测润扬桥址区顺风向紊流功率谱密度函数与Kaimal谱的对比如图2所示。

若采用常规模拟技术，不进行分段，基于式(1)和式(2)所示表达式，采用非线性最小二乘法对实测谱进行拟合，所得结果如图3所示。

图3表明，若是不进行分段，拟合效果虽比Kaimal谱较好，但仍然不是很理想。最主要的原因是实测谱存在拐点，而Kaimal谱在所选频段内显然没有拐点，因此二者之间很难吻合良好。

对所得实测风谱模型进行分析，可知该实测风谱模型存在两个拐点，分别对应0.125Hz和0.585Hz两个频率值，据此将风谱模型分成三段进行拟合，对应频段分别为{f＜0.125Hz}、{0.125Hz＜f＜0.585Hz}和{f＞0.585Hz}三段，见图4。

选用式(1)和式(2)所示表达式，采用非线性最小二乘法对三段风谱模型分别进行拟合，所得风谱模型的精细拟合结果如图4所示。显然图4所得拟合谱与实测谱在各个频段内均吻合良好。

Claims (1)

1.一种风谱模型的精细模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第一步：进行大量强/台风现场实测；

实测方法有两种，一种是在台风来临期间，估计台风到达时间，将风速仪置于大跨度桥梁的跨中或塔顶，调整采集频率进行风速和风向数据的采集；另一种是通过安装在结构健康监测系统——SHMS中的风速仪进行风速和风向数据的采集，传输系统将采集系统采集的数据传送到监测中心；

第二步：对实测风速和风向数据进行功率谱分析，获得实测风谱模型；

对采集到的风速数据样本进行分析处理，选择一段风速较大且平稳的子样本，基于matlab大型数据处理软件，采用PSD功率谱密度估计方法，编写功率谱密度计算程序进行计算，获得实测风速数据的功率谱密度，以x轴为频率，y轴为功率谱密度，绘制曲线，即为实测风速数据的风谱模型；

第三步：计算实测风谱模型的拐点数目，并根据拐点数目对风谱模型进行分段；

精细模拟技术，按先直观后精确计算的方法确定拐点位置，对实测风谱模型进行分段，若风谱模型存在k个拐点，则将其分成k+1段；

第四步：对每一段风谱模型，采用非线性最小二乘法，分别进行拟合模拟；

对每一小段风谱模型，仍采用类似规范规定的顺风向功率谱表达式进行拟合，即：

nS_u/(u^*)²＝af_z/(1+bf_z ^1/m)^cm        式1

f_z＝nz/U(z)                        式2

式中，S_u为功率谱密度，u^*为气流摩阻速度，f_z为莫宁坐标，U(z)为平均风速，z为风速仪离地面高度，n为风的脉动频率，c取5/3，a、b和m为拟合参数；

拟合过程中采用常用的非线性最小二乘法，每一段拟合所得参数a、b和m各不相同，最后获得基于实测风特性和分段拟合技术的精细风谱模型。 

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