专利名称：一种区间风谱模型的建立方法
技术领域：
本发明涉及一种基于现场实测结果的区间风谱模型建立方法，尤其适用于工程结构抗风分析中，获得结构物场地的风谱模型所处的区间。
背景技术：
风灾是自然灾害中发生最频繁的一种，由其造成的人员伤亡和经济损失巨大。按德国统计资料推算，世界风灾造成每年损失达137. 7亿美元。再加上近年来，全球气候变化较大，台风显得更加猖獗。研究风荷载的特性以及风对结构的作用，能够增强结构的抗风能力，减小风灾损失，因而具有极为重要的意义。工程结构风特性主要包括平均风特性和脉动风特性。由于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，因而是脉动风特性中最为主要的参数。近地边界层强风特性的现场实测能够获得风环境的最直接、最真实的资料，因而是掌握某地区风特性的最有效方法。现有的著名风谱模型也都是根据现场实测结果拟合得到的。Davenport教授就曾根据世界上不同地点、不同高度处测得的90多次强风记录拟合得到水平脉动风速谱。近年来，随着对结构健康监测的不断重视以及工程结构测试技术水平的提高，国内外在很多大型桥梁上安装了健康监测系统。国外包括日本明石海峡大桥、挪威的Skarnsunder斜拉桥、美国的Sunshine Skyway斜拉桥、加拿大的Confedration梁桥、英国的Foyle梁桥和Flintshire斜拉桥等。我国包括香港青马桥、润扬大桥、江阴大桥、上海徐浦大桥、卢浦大桥、南京长江大桥、南京长江二桥、滨州黄河公路大桥等。这些监测系统为掌握当地风特性，建立合理风谱模型提供了有效手段。由于风特性受风的随机性、地理位置等因素的影响，每次实测台风的风谱模型差异性非常大，这在长期的实测分析中已经得到了验证。然而，目前常用的几种脉动风速功率谱如Davenport谱、Kaimal谱、Karman谱以及Panofsky谱都是单一的一条曲线，无法体现出每次台风的随机性和差异性。因此，为了能够更好地体现桥址区的台风特性，所建立的风谱模型需要能够反映出台风的随机性，以使得模拟出的风荷载能够更加可靠，强/台风作为控制荷载地区的结构抗风设计更为合理。

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区间风谱模型的建立方法，该技术将区间的概念引入到风谱模型的建立当中，在很大程度上解决了现有单一曲线风谱模型无法体现出每次台风的随机性和差异性的问题，模拟出的区间风谱模型能够包含结构物所处的各类风环境。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各个峰值点，这些峰值点包括最大峰值点和最小峰值点，对应于不同的频率值；最后按照所有最大峰值点拟合出区间风谱模型的上限，按照所有最小峰值点拟合出区间风谱模型的下限。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，选择一段风速偏大且平稳的子样本，基于matlab大型数据处理软件，采用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；第三步在频域内找出所有实测风谱模型的各个峰值点实测风谱模型都是波动很大的曲线，每条曲线都存在一系列的峰值点，这些峰值点包括最大峰值点和最小峰值点，对应于不同的频率值；第四步对风谱模型的最大峰值点和最小峰值点，采用非线性最小二乘法分别进行拟合，以获得区间风谱模型的上下限；对每一小段风谱模型，仍采用规范规定的顺风向功率谱表达式进行拟合，即J1S11 Huy =afJ(l + bfJ mYm^ Ifz=nzlt]{z)X2式中，Su为功率谱密度，u*为气流摩阻速度，fz为莫宁坐标，巧(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的区间风谱模型。有益效果三维脉动风场模拟是结构风振响应分析的前提和基础，而风谱模型则是三维脉动风场模拟的前提和基础，因而至关重要。为了进行有效可靠的结构抗风设计与研究，就必须根据当地的实测风特性建立准确可靠的风谱模型，其中必须能够考虑风的随机性和差异性。本专利将区间的概念引入到风谱模型的建立当中，解决了现有单一曲线风谱模型无法体现出每次台风的随机性和差异性的问题，所得区间风谱模型能够包含结构物所处的各类风环境，因而能够获得更加反映实际情况的分析结果。由于本专利具有明显的先进性和可靠性，因而必将引导未来风谱模型的发展趋势，在未来的结构抗风领域得到广泛应用。


图I区间风谱模型的建立流程图，图2多次实测风谱模型与Kaimal谱的对比图，图3多次实测风谱模型与Kaimal谱以及区间拟合谱的对比图。
具体实施方式
根据上述技术方案，基于实测风特性的区间风谱模型的建立技术及其实现过程包括如下4个步骤I)在强台风期间进行大量强/台风现场实测；风特性实测方法有两种，一种是每年台风期间，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/台风风速风向数据样本，通过挑选、剔除，选择一段风速较大且风向较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程序，获得每次台风的实测风谱模型。3)在频域内找出所有实测风谱模型的各个峰值点；通过查看和分析，找到实测风谱模型曲线上的拐点，具体方法为第一步，将实测风谱模型曲线局部放大，确定各个峰值点的大致位置，第二步，根据峰值点的大致位置，通过对风谱模型横纵坐标的精确分析来确定各峰值点的具体位置。4)对最大峰值点和最小峰值点，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，绘制了区间风谱模型的建立流程图，如图I所示。现以经过润扬大桥桥址区的4次台风为例来介绍本专利的实施方式，具体如下润扬大桥建成于2005年，由于地处华东沿海地区，每年均有强台风经过。近年来，已有台风“麦莎”、“卡努”、“桑美”、“韦帕”、“凤凰”和“海鸥”等经过润扬大桥桥址区时，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。按照上述峰值拾取方法，对图2进行分析，找到全部峰值点。针对最大峰值点和最小峰值点，选用式(I)和式(2)所示表达式，采用非线性最小二乘法分别进行拟合。由最大峰值点得到区间风谱模型的上限谱曲线，由最小峰值点得到区间风谱模型的下限谱曲线，至此，区间风谱模型建立完毕，见图3。很显然，所得区间风谱模型能够包含每次台风的随机性和差异性。在获得区间风谱模型之后，就可以利用上限谱曲线和下限谱曲线分别模拟出桥址区的三维脉动风场，由上限谱曲线模拟所得的风场可以计算出结构风致振动响应的上限值，而由下限谱曲线模拟所得的风场可以计算出结构风致振动响应的下限值。因此，由区间风谱模型计算所得的结构响应也是一个区间，而不是某个具体的响应值。即结构的响应会在这个区间内变化，显然更为合理。随着结构风致振动朝精细化的方向发展，区间风谱模型的合理性必将进一步得到体现。
权利要求
1.一种区间风谱模型的建立方法，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，选择一段风速偏大且平稳的子样本，基于matlab大型数据处理软件，采用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； 第三步在频域内找出所有实测风谱模型的各个峰值点 实测风谱模型都是波动很大的曲线，每条曲线都存在一系列的峰值点，这些峰值点包括最大峰值点和最小峰值点，对应于不同的频率值； 第四步对风谱模型的最大峰值点和最小峰值点，采用非线性最小二乘法分别进行拟合，以获得区间风谱模型的上下限； 对每一小段风谱模型，仍采用规范规定的顺风向功率谱表达式进行拟合，即 成/(^)2 =</(I+ dH /2 =":/"(:)式 2 式中，Su为功率谱密度，u*为气流摩阻速度，fz为莫宁坐标，[7(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的区间风谱模型。
全文摘要
一种区间风谱模型的建立方法，是为了解决现有单一曲线风谱模型无法体现出每次台风的随机性和差异性的问题，使得模拟出的风谱模型能够包含结构物所处的各类风环境。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各个最大峰值点和最小峰值点，这些峰值点包括对应于不同的频率值；最后按照所有最大峰值点拟合出区间风谱模型的上限谱曲线，按照所有最小峰值点拟合出区间风谱模型的下限谱曲线。很显然，区间风谱模型能够获得更加反映实际情况的分析结果，具有明显的先进性和可靠性，因而必将引导未来风谱模型的发展趋势，更加准确地指导工程结构的抗风设计。
文档编号G01M9/08GK102721523SQ20121017273
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者吴明明, 王浩, 王龙花, 程怀宇, 郭彤 申请人:东南大学