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近年来,随着生产生活的需要,工程结构日趋大型化、复杂化,这也必然使结构更轻更柔,对于风荷载将更加敏感。对于这些大跨、高层、高耸结构,风荷载往往起主要甚至决定作用,因此对于这些复杂结构在风荷载作用下的响应研究越来越受到科研工作者的重视。时域分析方法是对结构风振进行非线性分析、详细掌握结构状态的较好方法,具有较大的理论价值和实用意义。进行时域分析必须要利用风速时程样本,因此利用已知的频域信息通过计算机数值模拟重现时程样本是比较好的解决办法。所模拟的风与自然风在统计特性、时间相关性和空间相关性等方面是否一致或接近,对于时程分析的结果具有较大的影响,因此模拟出尽可能接近和满足自然风特性的时程样本模拟具有重大意义。
本文首先对随机过程理论和风的基本性质进行了研究总结,将风速看作是平均风速和脉动风速二部分之和,并进一步将脉动风假定为具有零均值的平稳高斯随机过程,在此基础上依据随机过程理论阐述了风速时程模拟的基本算法。
然后依据现有风速谱的经验公式作为目标谱,基于MATLAB平台,针对谐波叠加法和线性滤波法编制了相应的模拟程序。利用程序通过算例模拟分析,探讨了各参数的合理取值范围。认为频率截取上限可根据情况选择3~5hz。对于谐波叠加法,初步建议频率采样点数应在300以上;时间采样点以控制时间间隔在0.2s左右比较适宜。对于AR(p)模型的频率采样点可适当增多,以保证精度;对于时间间隔建议取值范围在0.1~0.5s之间;模型阶数可按经验取5~10。同时通过算例对不同模拟方法进行了对比分析,讨论了各种方法的优缺点。认为谐波叠加法和线性滤波法均是风速时程数值模拟的两种有效方法,谐波叠加法模拟精度较高,但计算量大,而且不能考虑时间的相关性;线性滤波法计算速度快,可达前者的百倍以上,并且可考虑时间相关性,但精度不如前者。
最后通过实例,讨论了大跨桥梁、高耸结构、高层建筑以及大跨空间结构等不同结构形式风速时程模拟的特点和分析方法,并总结了风速时程模拟的一般步骤。