随机风场研究与高耸、高层结构抗风可靠性分析

论文摘要

由于生成机理、传播路径等因素的不可控制性，导致脉动风速具有明显的随机性。现有研究方法，如随机过程理论和随机振动理论，很难正确地分析随机风场作用下高耸、高层结构的动力可靠性。鉴于此，本文基于物理随机系统的基本观念，深入开展了随机风场的研究和高耸、高层结构的抗风动力可靠性研究。 年最大平均风速的概率信息是风工程领域内的重要数据。本文采用中国大陆地区740个气象站点历时52年的平均风速观测资料，分别应用数理统计方法和概率密度演化方法，获得了各站点处的年最大平均风速二阶矩信息和部分典型气象站点年最大平均风速的概率密度分布，绘制了我国大陆地区年最大平均风速均值及其标准差的等值线图，为我国的结构抗风设计、分析提供了重要的数据支持。 论文首次开展了基于物理的随机风场研究，即从随机样本的角度出发，提出并建立了风场的随机Fourier谱模型。实例表明，这一模型不仅可以很好地反映风场的随机性特征，而且可以方便地应用于实际工程之中。 风荷载的模拟是进行结构抗风分析的必要基础。基于谐波叠加理论，研究并建立了基于随机Fourier谱的脉动风场数值仿真技术。通过研究表明，该技术计算生成的脉动风场不仅可以表征随机风场在时域上的随机特性，而且可以反映具体风环境的影响。 如何在有限元模型中正确反映输电塔与导线问的复杂耦联作用是准确计算结构随机风振响应和动力可靠度所必需解决的问题。借助有限元软件ANSYS，建立了三维精细化的输电塔—线耦联体系模型。基于风振响应分析的准定常理论，进行了不同模型的风振响应对比分析，证明采用三塔两线模型可以获得足够的计算精度，满足结构分析要求。 近年来，本研究梯队所发展的概率密度演化方法和等价极值事件原理，可以用来准确计算考虑复杂失效准则下的结构动力可靠度。应用这些方法，分别计算了江苏500kV输电线路西二通道SZT26输电塔—线耦联体系和上海环球金融中心的抗风动力可靠度，实现了高耸、高层结构抗风动力可靠性的精细化分

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 经典随机过程理论
• 1.3 经典随机振动理论
• 1.4 结构动力可靠性理论研究现状
• 1.5 结构体系可靠度研究现状
• 1.5.1 经典的失效模式识别法
• 1.5.2 响应面法
• 1.5.3 Monte Carlo法
• 1.6 输电塔—线耦联体系抗风建模研究现状
• 1.7 风场数值仿真研究现状
• 1.8 本文的主要内容
• 第2章 中国大陆地区年最大平均风速的概率分析
• 2.1 引言
• 2.2 中国大陆地区平均风速资料的处理
• 2.2.1 风速资料简介
• 2.2.2 风速资料的处理
• 2.3 中国大陆地区年最大平均风速资料的数理统计分析
• 2.3.1 年最大平均风速的二阶矩计算与等值线图绘制
• 2.3.2 年最大平均风速经验分布函数的假设检验
• 2.3.3 年最大平均风速概率密度函数的直方图
• 2.4 典型站点年最大平均风速的概率密度演化分析
• 2.4.1 虚拟随机过程与随机变量概率密度分布函数
• 2.4.2 实施方法
• 2.4.3 年最大平均风速的密度函数估计
• 2.4.4 典型站点年最大平均风速概率密度函数的概率密度演化估计
• 2.5 小结
• 第3章 脉动风速场的随机 Fourier谱研究
• 3.1 引言
• 3.2 经典的脉动风速自谱密度和互谱密度函数
• 3.2.1 脉动风速的自功率谱密度函数
• 3.2.2 脉动风速的互功率谱密度函数
• 3.3 随机 Fourier谱的概念及其与功率谱密度函数的关系
• 3.3.1 传统脉动风谱的经验物理关系本质
• 3.3.2 随机 Fourier谱
• 3.4 实测风速资料的随机 Fourier谱研究
• 3.4.1 实测风速资料的介绍和处理
• 3.4.2 纵向脉动风速随机 Fourier谱函数的随机建模
• 3.4.3 随机 Fourier谱的通用性
• 3.5 脉动风速场的互随机 Fourier谱建模
• 3.5.1 互随机 Fourier谱的定义式
• 3.5.2 基本随机参数的概率分布
• 3.5.3 互随机 Fourier谱与实测资料互 Fourier谱的概率比较
• 3.6 小结
• 第4章 基于随机 Fourier谱的随机风场仿真
• 4.1 引言
• 4.2 随机风场模型
• 4.2.1 平均风速
• 4.2.2 脉动风速
• 4.3 互随机 Fourier谱矩阵
• 4.4 随机脉动风速场模拟仿真与 FFT算法的应用
• 4.4.1 随机脉动风速场模拟仿真算法
• 4.4.2 FFT技术在随机脉动风速场模拟中的应用
• 4.5 基于 Fourier谱的风场仿真算法的验证
• 4.5.1 确定性仿真验证
• 4.5.2 随机仿真算法验证
• 4.6 小结
• 第5章 输电塔—导线耦联体系的有限元建模与分析
• 5.1 引言
• 5.2 塔线耦联三维有限元模型研究
• 5.2.1 工程背景
• 5.2.2 模型的建立
• 5.2.3 塔线耦联模型的动力特性分析与比较
• 5.3 三维风场的数值模拟
• 5.3.1 风环境描述
• 5.3.2 平均风速场计算
• 5.3.3 脉动风速场仿真
• 5.3.4 风荷载时程计算
• 5.4 输电塔—线耦联体系的确定性风振响应分析
• 5.4.1 三塔两线模型输电塔结构的确定性风振响应分析
• 5.4.2 三塔两线模型与四塔三线模型的比较
• 5.5 小结
• 第6章 高耸、高层结构的抗风动力可靠度分析
• 6.1 引言
• 6.2 概率密度演化方法
• 6.2.1 随机结构风振反应分析的概率密度演化方程
• 6.2.2 概率密度演化方程的数值求解
• 6.3 基于等价极值事件的体系可靠度分析
• 6.3.1 等价极值事件的内蕴相关性
• 6.3.2 复杂失效准则下的结构可靠度分析
• 6.4 SZT26输电塔抗风动力可靠度分析
• 6.4.1 SZT26输电塔场地风特性
• 6.4.2 SZT26输电塔失效准则
• B计算'>6.4.3 塔身杆件稳定系数φ_B计算
• 6.4.4 SZT26输电塔抗风动力可靠度计算
• 6.5 上海环球金融中心抗风动力可靠度分析
• 6.5.1 工程概况
• 6.5.2 上海环球金融中心14层三维有限元模型
• 6.5.3 上海环球金融中心场地风特性
• 6.5.4 上海环球金融中心抗风动力可靠度计算
• 6.6 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果