塑料大棚結構的脈動風速與風壓時程模擬_姜迎春.pdf

塑料大棚結構的脈動風速與風壓時程模擬姜迎 春a， b， 白義 奎b， 周東 升c， 王永 剛c( 沈陽 農 業(yè)大學 a工程學院 ; b水利學院 ; c信息與電氣工程學院 ， 沈陽 110866)摘 要 : 作用在塑料大棚結構上的主要動力荷載是風荷載 ， 考慮脈動風作用的塑料大棚結構風振響應能真實地反映結構的受力特點 。為了對塑料大棚結構進行時域內風振響應分析 ， 必須解決脈動風速時程模擬問題 。為此 ， 采用諧波疊加法對塑料大棚結構表面的脈動風速進行模擬 ， 獲得不同空間點的風速時程曲線 ， 對比了模擬功率譜與目標功率譜的變化趨勢 ， 分析了不同空間位置的相干性隨兩點距離增加的變化規(guī)律 ， 模擬了不同點的脈動風壓 ， 從而為研究塑料大棚結構風振響應提供了荷載條件 。關鍵詞 : 塑料大棚 ; 脈動風速 ; 風壓時程 ; 諧波疊加法中圖分類號 : S26+1; TU261 文獻 標 識碼 : A 文章編號 : 1003188X( 2019) 060013060 引言溫室是一種特殊 形式的農業(yè)建筑 ， 除 了提供植物生長 、生產的基本空間及適宜的溫度 、濕度環(huán)境外 ， 還要承擔極端自然災害 ( 強風 、暴雪 ) 所產生的各類荷載作用 。隨著溫室結構的不斷發(fā)展 ， 溫室結構安全問題日益受到重視 ， 相關人員針對風荷載在溫室結構設計中的取值問題 1、溫室表面風壓分布規(guī)律 23及溫 室承 載力等方面 45進行了 研究 。近年來發(fā)生了多起由于大風導致塑料大棚結構倒塌的工程事故 ， 造成了很大的經濟損失 6。塑料 大棚結構屬輕型結構 ， 具 有自重輕 、跨度較大 、骨架結構柔而薄 、桿件截面小的特點 ， 使得這種結構對風荷載較為敏感 。對于塑料大棚結構在時域內進行分析 ， 可以更為精確地掌握塑料大棚結構的風振特性 。進行時域分析時需要得到風速的時程樣本 ， 即解決風荷載的輸入問題 。由于目前應用于實際塑料大棚結構的強風作用過程記錄還不能普遍實現(xiàn) ， 采用人工模擬風速時程的方法能有效解決風速時程樣本問題 。風速時程的模擬主要是針對脈動風速時程而言的 ， 主要采用諧波疊加法和線性濾波法 7 9。目前 ， 針 對 超高層建筑 10、風力 發(fā) 電塔 11、大跨 度 橋梁 12等結 構 均有收稿 日 期 : 20180315基金項目 : 國家自然科學基金項目 ( 61673281); 中國博士后科學基金項目 ( 2014M561250 ); 遼寧省博士啟動基金項目( 201601112)作者簡 介 : 姜迎春 ( 1978)， 女 ， 遼寧大連人 ， 講師 ， 博士 ，( Email)jyclg72 163com。風速時程的模擬研究 ， 因此對于風荷載影響明顯的塑料大棚結構的風速時程模擬也應進行深入研究 。本文根據(jù)塑料大 棚 的結構特點 ， 對其脈動風場的特性進行研究 ， 給出塑料大棚結構風荷載模擬方法 。首先 ， 建立塑料大棚結構模型并給出相關參數(shù) ; 其次 ，設計數(shù)值模擬計算程序 ， 獲得脈動風速和脈動風壓的時程曲線 ; 最后 ， 將模擬功率譜與目標功率譜進行了對比 ， 變化趨勢吻合較好 ， 可為塑料大棚結構動力響應分析提供風荷載模擬輸入條件 。1 風荷載模擬方法風 速 時 程曲線可以看作由平均風速和脈動風速兩部分組成 ， 風速時程的模擬主要是針對脈動風速而言 13。作用 在 結構上任一點的風速 V x， y， z， t( ) 可由該點高度處的平均風速 vz( ) 和 脈 動 風 速v x， y， z， t( ) 兩部分共同作用而成 ， 即V x， y， z， t( ) = vz( ) + v x， y， z， t( ) ( 1)其 中 ， 平均 風速 vz( ) 是指 風 力大小 、方向在給定的時間間隔內是不隨時間而變化的 ; 脈 動 風 速v x， y， z， t( ) 則 具有隨機性 ， 隨時間和空間隨機地變化 ， 需要用隨機理論來處理 。塑料大棚結構脈動風模擬的框架結構如圖 1 所示 。11 平均風速平均風速隨高度發(fā)生變化 ， 可以通過風剖面來平均風速變化規(guī)律可用指數(shù)函數(shù)表示 14， 即v( z)vb=zzb( )( 2)其中 ， z 為任一高度或離地高度 ; zb為標 準 參考高·31·2019 年 6 月 農 機 化 研 究 第 6 期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2019.06.003度 ， 規(guī)范 中 取 zb= 10m; vz( ) 為高 度 z 處對應的平均風速 ; vb為標準參考高度 zb處的 平 均風速 ; 為地面粗糙度指數(shù) 。圖 1 塑料大棚結構脈動風模擬的框架結構圖Fig1 Fluctuating wind simulation of plastic greenhouses structure12 脈動 風 速脈動風具有隨機性 ， 可用具有零均值的平穩(wěn)高斯隨機過程來表達 。脈動風速的特性可用功率譜和相關函數(shù)描述 。其中 ， 功率譜反映脈動風速中各頻率成分對應的能量分布規(guī)律 ; 相關函數(shù)則反映各點脈動風速之間在時間或空間的相互影響關系 。風工程中廣泛采用 Davenport 提出的沿高度不變的風速譜 13， 即脈動風速的自功率譜為Svf( ) = 4kv210x2f 1 + x2( )4/3( 3)其 中 ， Svf( ) 為脈動風速功率 譜 ; f 為 脈動風速頻率 ( Hz); x= 1200f/v10; v10為 10m 高度 處 的平均風速 ; k 為地面粗糙度系數(shù) 。脈動風速的統(tǒng)計特性可用互譜密度函數(shù)來描述 ，互相關函數(shù)的值大小表征了空間兩點脈動相關程度的強弱 ?；プV密度矩陣為S( f) =S11( f) S12( f) S1n( f)S21( f) S22( f) S2n( f) Sn1( f) Sn2( f) Snn( f)( 4)其中 ， Sii為點 i 的脈動風的自功率譜 ; Sij為點 i 和點 j 的 互 功率譜 ， 表示脈動風場的相干性 。互譜密度矩陣中的元素可通過下式求得 ， 即Sij( f) = Sij( f) ei f( )= Sii( f) Sjj( f槡) Coh f( ) ej f( )( i， j = 1， 2 ， ， n ) ( 5)其中 ， Coh f( ) 為相干函數(shù) ; f( ) 為相位角 。互譜密度與相干函數(shù)有如下的關系 ， 即Coh( f) = exp 2f C2x( xi xj)2+ C2y( yi yj)2+ C2z( zi zj)槡2v( zi) + v( zj)( 6)其中 ， Cx、Cy、Cz為衰 減 系數(shù) ， 一般取 Cx= 8、Cy=16、Cz= 10; v( zi) 、vzj( ) 分別為空間任意兩點 i 和 j高度處的平均風速 。·41·2019 年 6 月 農 機 化 研 究 第 6 期相位 角 ( f) 與 無量綱坐標f·zv之間 的 計算公式為 13( f)=4·f·zv( z)f·zv( z) 01 10·f·zv( z)+ 125 01f·zv( z)0125 ， 上均 勻 分布的隨機數(shù)f·zv( z) 0125( 7)按 照 Cholesky 分解法 ， 互譜密度矩陣 S( f) 可分解為S( f) = H( f) H*( f)T( 8)其 中 ， H( f) 為 下 三角矩陣 ; H*( f)T為 H( f) 的 轉置 共 軛矩陣 。H( f) =H11( f) 0 0H21( f) H22( f) 0 Hn1( f) Hn2( f) Hnn( f)脈動 風 假定為具有零均值的平穩(wěn)高斯隨機過程 ，采用諧波疊加法 15將 脈 動 風速 vi( t) 表 示 為vj( t) =jk = 1Nl = 1Hjk( fl) 2·2槡f ×cos 2flt + jkfl( ) + kl ( 9)其中 ， N 為脈動風頻率采樣點數(shù) ; j 為 模 擬點的個數(shù) ; Hjk( fl) 為上述下三角矩陣中 的 元素 ; f = ( fufd) /N 為頻 率 增量 ， fu和 fd分別為脈動風截取頻率的上限 和 下限 ; jk( fl) 為兩個不同作用點 之 間的相位角 ; kl為均 勻 分布在 0， 2 之間的隨機數(shù) 。對式 ( 9) 進行快速 FFT 變換 16計算 ， 可 得 到脈動風速時程 vi( t) 。13 脈動 風 壓在已知風速的情況下 ， 可得到順風向高度處的風壓 w z， t( ) 為w( z， t) =12V2( x， y， z， t) =12 v( z) + v( x， y， z， t)2=12v( z)2+12 2v( z) v( x， y， z， t) + v( x， y， z， t)2( 10)其中 ，12v( z)2表 示 高 度 z 處 的 平 均 風 壓 ;12 2v( z) v( x， y， z， t) + v( x， y， z， t2 表示 高 度 z 處脈動風壓 。2 仿真 實 例21 塑料大棚的模型與參數(shù)圖 2 為塑 料 大棚骨架結構計算模型 。其跨度為60m， 脊高為 25m; 骨架結構共 55 個節(jié)點 ; 風速模擬的時間步長取 01s， 計算時長為 100s; 頻率取值范圍為 01Hz; 脈動風頻率分割份數(shù) N= 1024。根據(jù)文獻 17 計算得出體型系數(shù) us= 0493，沈陽地區(qū)基本風壓為 w0= 055，地面 上 離地 10m 處平均風速為 v0= w0×槡1600 = 2967m/s。溫室 結 構一般位于城市空曠地區(qū) ， 該地區(qū)的地面粗糙度一般取 B類 ， 式 ( 2) 中的地面粗糙度指數(shù)取 = 016，式 ( 3) 中的地面粗糙度系數(shù) k= 003 14。圖 2 塑料大棚結構示意圖Fig2 Sketch of the plastic greenhouses structure22 模擬 結 果分析221 不同空間點脈動風速時程模擬采用 MatLab 2010a 軟件編制了仿真程序 ， 在 PC機 ( 內核 i54590 33GHz CPU， 16G內存 ， Windows 764bit) 上進行了模擬 。圖 2 中的塑料大棚結構中點 1、點 2、點 6、點 11 處的脈動風速時程分別如圖 3 中的( a) ( d) 所示 。從各點時程可知 : 點 1 和點 2 的空間位置相近 ， 模擬的風速時程也相近 ; 點 6 和點 11 的空間位置相差較大 ， 則風速時程也有顯著差別 。4 個空間點的風速時程曲線的峰值出現(xiàn)在 79s 的時刻 ， 此時點 6 和點 11 的峰值明顯大于點 1 和點 2 的峰值 。·51·2019 年 6 月 農 機 化 研 究 第 6 期圖 3 塑料 大 棚結構不同空間點的脈動風速時程曲線Fig3 Fluctuating wind speed time history curve in different space points ofthe plastic greenhouses structure222 不同空間點脈動風速功率譜模擬脈 動 風 速的自功率譜能夠反映出模擬風速與實際風速統(tǒng)計特性的相似度 。模擬得到的點 1、點 2、點6、點 11 的風速功率譜與 Davenport 脈動風速功率譜對比結果 ， 采用雙對數(shù)坐標軸形式表示 ， 如圖 4 中的 ( a)( d) 所示 。由圖 4 可見 : 模擬功率譜的變化趨勢與目標功率譜吻合效果較好 ， 塑料大棚結構空間位置不同點的脈動風速時程的模擬結果是可靠的 。圖 4 模擬譜與目標譜對比Fig4 Fluctuating wind power calculation spectrum contrastwith target spectrum·61·2019 年 6 月 農 機 化 研 究 第 6 期223 不同空間點的相干性比較圖 5 中的 ( a) ( d) 為 空 間 1 點分別與點 2、點 4、點 6 和點 11 的空間相干性的比較 ， max表示 歸 一化的互相干函數(shù)的最大值 。由圖 5 可知 : 點 1、點 2 兩個相鄰點的風速的相干性最強 ， 其相干性函數(shù)最大值 max= 0 9741;點 1 和點 4 的 相 干 函 數(shù) 最 大 值 max=09441; 點 1 和點 6 的相干函數(shù)最大 值 max= 09150;點 1 和點 11 的 相干性最弱 ， 其相干性函數(shù)最大值 max=08756。可見 ， 相 鄰 兩點風速的相干性較強 ， 隨著兩點距離的增加 ， 風速的相干性逐漸減弱 ， 符合風場相干性規(guī)律 。圖 5 不同點的歸一化互 相關函數(shù)比較Fig5 The normalized cross correlation function of different differences224 不同空間點的脈動風壓時程模擬不同 點 處的脈動風壓時程曲線可由平均風速和脈動風速得到 。圖 6 為模擬點 2 和點 11 的風壓時程曲線 。隨空間點的變化風壓也產生變化 ， 點 2 在 278s時出現(xiàn)風壓的最大值為 203kN/m2; 點 11 在 28s 時出現(xiàn) 風 壓的最大值為 24kN/m2。脈動 風 壓時程可為研究塑料大棚結構風振響應提供荷載條件 。圖 6 塑料大棚結構不同點的脈動風壓時程曲線Fig6 Fluctuating wind pressure time history curve in different spacepoints of the plastic greenhouses structure·71·2019 年 6 月 農 機 化 研 究 第 6 期3 結論采用 諧 波疊加法對塑料大棚結構空間不同點的脈動風速進行模擬 ， 獲得了脈動風速時程曲線 。不同空間點的脈動風速峰值出現(xiàn)的時刻相同 ， 但數(shù)值相差較大 ; 隨著空間位置的增加 ， 風速時程曲線的差異也增加 。分別將不同空間點的風速功率譜與 Davenport脈動風速功率譜進行對比 ， 結果表明 : 模擬功率譜與目標功率譜的變化趨勢吻合效果較好 ， 表明脈動風速時程的模擬滿足精度要求 。計算了不同空間位置的相干性 ， 兩個相鄰點風速的相干性最強 ， 隨著兩點距離的增加 ， 風速的相干性逐漸減弱 ， 變化規(guī)律符合風場的相干性規(guī)律 。模擬了不同點的脈動風壓時程 ， 旨在為研究塑料大棚結構風振響應提供荷載條件 。參考文獻 : 1 閆俊 月 ， 周 磊 ， 周長吉 ， 等 塑料大棚設計中基本風壓取值方法 J 農業(yè)工程學報 ， 2014， 30( 12): 171176 2 雷雋卿 ， 蔣 秀根 ， 李保明 海島溫室結構抗風設計中基本風壓取值方法 J 沈陽建筑大學學報 ， 2010， 26( 6) : 11061110 3 楊再強 ， 張 波 ， 薛曉萍 ， 等 設施塑料大棚風洞試驗及風壓分布規(guī)律 J 生態(tài)學報 ， 2012， 32 ( 24) : 77307737 4 金健 ， 童樂 為 ， 周鋒 Venlo 型溫室結構空間作用的分析與應用研究 C / /2014 年全國鋼結構設計與施工學術會議集 青海 : 工業(yè)建筑雜志社有限公司 ， 2014: 132135 5 丁敏 ， 李密密 ， 施旭棟 ， 等 考慮覆蓋材料蒙皮效應的溫室結構穩(wěn)定承載力計算 J 農業(yè)工程學報 ， 2016， 32( S1) :224232 6 周 長吉 暴 風雪造成連棟溫室倒塌的啟示 J 農業(yè)工程技術 ， 2007( 12): 1315 7 ochaM M， Cabral S V S， iera J D A comparison of properorthogonal decomposition and Monte Carlo simulation of windpressure J Journal of Wind Engineering and IndustrialAerodynamics， 2000， 84( 3): 329344 8 Owen J S The application of auto regressive time seriesmode ling for the time frequency analysis of civilengineering structures J Engineering Structures， 2001， 23( 5): 521536 9 Faghih A K， Bahadori M N Three dimensional numerical in-vestigation of air flow over domed roofs J Journal of WindEngineering and Industrial Aerodynamics， 2010， 98( 3): 161168 10 李 春祥 ， 都 敏 超高層建筑脈動風速時程的數(shù)值模擬研究 J 振動與沖擊 ， 2008， 27( 3) : 124130 11 陳小波 ， 陳 健云 ， 李靜 海上風力發(fā)電塔脈動風速時程數(shù)值模擬 J 中國電機工程學報 ， 2008， 28( 32): 111116 12 周 彬彬 ， 蔡 建國 ， 馮健 基于 AMA 模型和時空 Kriging 插值聯(lián)合模擬大跨結構的脈動風速時程 J 振動與沖擊 ，2014， 33( 3): 2934 13 王 之宏 風荷載的模擬研究 J 建 筑結構學報 ， 1994， 15( 1): 4452 14 黃本才 結構抗風分析原理及應用 M 上 海 : 同濟大學出版社 ， 2001 15 Shinozuka M， Jan C M Digital simulation of random processand its application J Journal of Sound and Vibration，1972， 25( 1) : 111128 16 劉錫良 ， 周 穎 風荷載的幾種模擬方法 J 工業(yè)建筑 ，2005， 35( 5): 8184 17 中華人民共和國住房和城 鄉(xiāng)建 設部 建筑結構荷載規(guī)范( GB50009 2012) S 北京 : 中國建筑工業(yè)出版社 ，2012Numerical Simulation of Pulsating Wind Velocity Histories andWind Pressure Histories of Plastic GreenhouseJiang Yingchuna， b， Bai Yikuib， Zhou Dongshengc， Wang Yonggangc( a College of Engineering; b College of Water Conservancy; c College of Information and Electrical Engineering，Shenyang Agricultural University， Shenyang 110866， China)Abstract: The wind load is important dynamical load of the plastic greenhouse structure The wind vibration response ofthe plastic greenhouse with fluctuating wind can accurately reflect the force characteristics of the structure Windinducedvibration response analysis needs to obtain the data of fluctuating wind loads In this study， the samples of the fluctuatingwind speed for surface of the plastic greenhouses structure were simulated by using the harmonic superposition method，and the wind velocity time histories in different space positions were obtained The variation trend of simulation powerspectrum was compared with the target power spectrum The variation of the coherence of different spatial positions withthe increase of distance between two points was analyzed Finally， the fluctuating wind pressure of different points aresimulated， and provide the inputting data for the study of wind vibration response of plastic greenhousesKey words: plastic greenhouses; fluctuating wind speed; wind pressure history; harmonic superposition method·81·2019 年 6 月 農 機 化 研 究 第 6 期