【摘要】：在自然界中,諸如臺風(fēng)或颶風(fēng)、龍卷風(fēng)以及下?lián)舯┝鞯确瞧椒�(wěn)極端風(fēng)荷載給土木工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)。隨著社會的不斷發(fā)展,諸如廣州塔、上海中心大廈、國家體育場、瓊州灣海峽大橋以及墨西拿海峽大橋等一些超高或超大跨的大型結(jié)構(gòu)已修建完成或正在規(guī)劃當(dāng)中。這些結(jié)構(gòu)的剛度很小,基本自振周期甚至可達(dá)10-20 s,這勢必會使得非平穩(wěn)極端風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)更加突出。雖然近些年非平穩(wěn)極端風(fēng)及其作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究已取得了一些成果,但仍有許多問題亟待解決。論文圍繞非平穩(wěn)極端風(fēng)的實測、建模和模擬及高層建筑風(fēng)致響應(yīng)等方面展開深入的研究,主要的工作和成果如下:詳細(xì)介紹了開發(fā)的高頻風(fēng)速儀遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng),其中包括系統(tǒng)的架構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸和處理、主要特點及其實際工程應(yīng)用等。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法相比,該系統(tǒng)具有實時傳輸、無需人工采集數(shù)據(jù)、不受現(xiàn)場條件的影響以及成本較低等優(yōu)勢,因此可極大方便偏遠(yuǎn)地區(qū)的現(xiàn)場實測。以普立特大橋為實際工程背景,對橋位處的山區(qū)風(fēng)場特性展開了實測研究�；趯崪y出的強(qiáng)風(fēng)數(shù)據(jù),對山區(qū)風(fēng)場特性進(jìn)行了分類,并對不同天氣特性下的平均風(fēng)特性展開了研究。最后,重點分析了下?lián)舯┝鞯拿}動風(fēng)特性。研究表明:熱驅(qū)動風(fēng)是山區(qū)風(fēng)場的主要天氣特性,但山區(qū)下?lián)舯┝饕矔r常出現(xiàn);下?lián)舯┝鞯?0 min平均風(fēng)速可達(dá)13.3 m/s,不同下?lián)舯┝鞯钠骄L(fēng)向差別較大;下?lián)舯┝靼l(fā)生時刻的10 min平均風(fēng)攻角大部分為正值;擬合出的10 min平均風(fēng)剖面與現(xiàn)有下?lián)舯┝黠L(fēng)剖面模型存在一定差別;豎向風(fēng)速的時變紊流強(qiáng)度整體高于水平風(fēng)速的紊流強(qiáng)度;下?lián)舯┝魉胶拓Q向風(fēng)速的相干函數(shù)均具有明顯的時變特征,且前者整體而言大于后者。提出了一種基于隨機(jī)波的多點非平穩(wěn)隨機(jī)過程模擬方法,該方法的核心思想則是將沿直線分布的多點非平穩(wěn)隨機(jī)過程模擬轉(zhuǎn)化為一維非平穩(wěn)隨機(jī)波的模擬,其中的轉(zhuǎn)化條件為相干函數(shù)只能是距離和頻率的函數(shù)。論文首先闡述了三角函數(shù)直接疊加的隨機(jī)波模擬公式,該公式雖可避免Cholesky分解,但其效率仍需提高。然后,本文采用本征正交分解(POD)對隨機(jī)波的二維演化功率譜(EPSD)進(jìn)行解耦,從而將非平穩(wěn)非均質(zhì)隨機(jī)波的模擬轉(zhuǎn)化為許多時間和空間均勻調(diào)制的平穩(wěn)均質(zhì)隨機(jī)波模擬之和,進(jìn)而可采用二維快速傅里葉變換(FFT)進(jìn)一步提高模擬效率。算例結(jié)果表明:所提方法在保證滿意精度的同時,可極大提高平穩(wěn)及非平穩(wěn)隨機(jī)過程的模擬效率�；赟igma波動過程理論,從另一角度推導(dǎo)出了 Wold-Cramer分解模型理論,詳細(xì)探討了兩者之間的關(guān)系,并采用后者進(jìn)行了基于演化譜的時變相干函數(shù)建模。將原始基于POD的非平穩(wěn)隨機(jī)過程快速模擬方法拓展到考慮時變相干函數(shù)的非平穩(wěn)隨機(jī)過程模擬。最后,通過兩組實測的下?lián)舯┝鲾?shù)據(jù)對本文理論和方法進(jìn)行了驗證。算例結(jié)果表明:估計出的相干函數(shù)具有明顯的時變特征,且其變化趨勢基本與對應(yīng)時變標(biāo)準(zhǔn)差的波動趨勢保持一致;隨著距離的增大,時變相干函數(shù)衰減明顯;當(dāng)不同高度處的演化功率譜密度差別較大時,采用基于POD方法進(jìn)行非平穩(wěn)隨機(jī)過程快速模擬會出現(xiàn)一定的誤差。基于建立的時變相干函數(shù)理論框架,將傳統(tǒng)考慮時不變相干函數(shù)的高層建筑順風(fēng)向響應(yīng)分析框架拓展到考慮時變相干函數(shù),并通過數(shù)值算例對本文的理論框架進(jìn)行了驗證。在此基礎(chǔ)上,重點對比了不同時變風(fēng)剖面作用下時變相干函數(shù)模型及其對應(yīng)時不變相干函數(shù)模型在結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面的差別。數(shù)值算例表明:當(dāng)高度為300 m時,時變相干函數(shù)模型作用下的結(jié)構(gòu)頂層位移響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差明顯大于時不變相干函數(shù)模型下的計算結(jié)果,最大可相差41%;考慮頂層位移的平均極值時,時變相干函數(shù)的影響將會減少,但其最大仍可達(dá)10%。
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【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TU973.213

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2373446