[发明专利]风谱模型的精细模拟方法

说明书

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：