高层建筑脉动风荷载时程模拟的AR模型方法

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高层建筑结构脉动风荷载时程的生成方法

振，因此本文主要进行顺风向风荷载的时程模拟，以用于低速攒
ｓ “ （）＝４：
（４）
其中，ｓ（ｚ，ｎ）为脉动风速功率谱，ｍ／ｓ；ｎ为脉动风频率，Ｈｚ；
６扔２０，ｋ为地面粗糙度系数，。。为标准高低为１０ｍ处的平均
，为高度处的平均风速，工（）：１００（￣／
ｊ
风作用下结构舒适度分析。风速观测记录表明风速可看作为由两部分组成：一部分是长
风速，ｍ／。：
ｏ），为纵向湍流积分尺度。周期成分，其周期一般在１０ｍｉｎ以上；另一部分是短周期部分，是３对于超高层建筑结构，可只考虑竖直方向的相关性，采用在长周期风速基础上的波动，其周期常常只有几秒至几十秒。由
０年一遇的平均风速剖面如图１所示。结构所在场地的基本风压为０．７５ｋＮ／ｍ，风压值高且为台风海口塔场地ｌ
许多风工程专家对水平阵风功率谱进行了研究，得到不同形频发地区，因此结构的风振特性和舒适度成为影响结构方案的重式的风速谱表达式，常用的有加拿大Ａ．Ｇ．Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ谱、美国ｓｉ－要因素。风振分析可采用频域和时域两种方法。频域法因为需ｉｕ谱、Ｅｔ本Ｈｉｎｏ谱、Ｋａｉｍａｌ谱、英国Ｈａｒｒｉｓ谱和Ｋａｒｍａｎ谱。其要满足叠加原理，所以只能进行线性分析，且不能给出相关函数ｍＡ．Ｇ．Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ谱和英国Ｈａｒｒｉｓ谱不随高度发生变化，实际是和瞬态响应，不能精确反映结构在实际风荷载作用下的真实响中，１０ｍ高度处的脉动风速谱；美国Ｓｉｍｉｕ谱、日本Ｈｉｎｏ谱、Ｋａｉｍａｌ谱应 … 。时域分析则不会有这些问题，因此对风荷载进行时程模ａｒｍａｎ谱则考虑了近地表层中湍流积分尺度随高度发生的变拟，在时域内进行分析。超高层结构一般会同时发生顺风向和横和Ｋ７＿。Ｋａｒｍａｎ谱见式（４）。风向风振。而横风向风荷载的功率谱、相干函数等数学基本理论化｜和模型，对于复杂体型结构，还不成熟，因此无法进行具有实际工程意义的横向风荷载时程模拟，其一般由风洞试验确定；另一方面，在低速脉动风作用下，结构的横风向风振远小于顺风向风

基于AR模型的风速时程模拟

关键词：Ａ模型；Ｒ风速时程；空问相关性；ＯＴＡＦＲＲＮ
ＯＴＡ随着我国经济快速发展和施工工艺的不断进步，各ＦＲＲＮ语言编制了模拟空间点脉动风速时程的计算种大型、复杂的高层结构和大跨空间结构不断兴建，风程序，对计算所得的风速时程进行快速傅立叶变换ＦＴ，以荷载已成为结构抗风计算、防灾减灾分析的重要设计荷（Ｆ）并把获得的功率谱谱与目标功率谱进行比较，载，结构风振响应分析研究日益受到学术界和工程界的验证基于ＡＲ模型风速时程模拟的可行性。
＾
研究与探讨
式中，
个数）Ｌ１＋Ｋ一２（３）２
（１式）
＾
１ × ｌ … １】ｌＭＩ，，ｒ１，ｌＩｌＰｒＭｒＰＴ’
用。
５结论
【考文献】参
［］１王星华．土固化浆液在地下工程中的应用［］北京：国铁粘Ｍ．中
（）１粘土固化浆液主要材料是粘土，可以就地取材，道出版社，９８１９．水泥、水玻璃用量少，因此材料成本低。［］２阮文军．液基本性能与岩体裂隙注浆扩散研究［］２０．浆Ｄ．０３
后塑性强度增大，既保证了可注性，又不会扩散太远。而
［］吉林工程技术师范学院学报，０８２（０：２６Ｊ．２０，４１）６ — ４

基于AR模型模拟超高层建筑的脉动风速时程

基于AR模型模拟超高层建筑的脉动风速时程李春祥;都敏;韩兵康【期刊名称】《地震工程与工程振动》【年(卷),期】2008(28)3【摘要】风荷载是超高层建筑设计的主要荷载之一,而且通过风振时域分析可以更全面地了解超高层建筑风振响应特性,更直观地反映超高层建筑风致振动控制的有效性。

因此,本文使用线性滤波法即白噪声滤波法(white noise filtration method,WNFM)中的自回归(auto-regressive,AR)模型模拟超高层建筑的风速时程。

首先,考虑超高层建筑风速时程的时间和空间相关性,导出了四阶AR模型的参数表达式。

接着,基于AR模型模拟了一幢高度为200 m超高层建筑的风速时程。

最后,通过比较模拟风速功率谱、模拟自相关函数和互相关函数与目标风速功率谱、目标自相关函数和互相关函数的吻合程度,验证基于AR模型模拟超高层建筑风速时程的可行性。

【总页数】8页(P87-94)【关键词】超高层建筑;风荷载;风速时程;自回归模型;随机过程;模拟【作者】李春祥;都敏;韩兵康【作者单位】上海大学土木工程系,上海200072;同济大学土木工程学院,上海200092【正文语种】中文【中图分类】TU311【相关文献】1.基于AR模型的空间脉动风速时程模拟方法研究 [J], 赵海霞2.基于ARMA模型模拟高架桥的脉动风速时程 [J], 李春祥;谈雅雅;李锦华3.基于AR模型模拟的转体桥梁脉动风数时程 [J], 宋浩4.基于AR模型的大跨悬索桥脉动风速时程模拟 [J], 白泉;徐樊;杨少波5.基于线性滤波法的超高层建筑脉动风速时程模拟 [J], 常乐;郭小飞因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于AR模型方法的多维脉动风荷载时程的模拟

模拟方法的稳定性产生较大影响。线性滤波器法是将人工生成的均值为零、具有白色谱的一系列随机数
通过设计好的过滤器，使其输出为具有给定谱的随机过程。该法占用内存少，计算快捷。近年来，线性
滤波器法中自回归滑动平均模型（ｕｏｅｒｓｉｖｖｒｅＭｏｅｓＡｔｇｅｓｅＭｏｅＡｅａｄｌ，简记为ＡＭｒｖｇＲＡ）和自回归模型（ｕｏｅｒｓｉｏｅ，简记为ＡＡｔｒｇｓｅＭｄｌｅｖｓＲ）被广泛用于描述平稳随机过程，取得了良好结果。
Ⅳ（）＝Ｃ ‘ （）ｔｎｔ
（）２
式中，（）＝［ｔ，：ｔ，，ｎｆ］ｎ（）是均值为０方差为１且彼此相互独立的正态随机过ｎｔｎ（）ｎ（） … ａ（），ｉｆ、程，１２ … ，；ｉ＝，，ｎＣ为ｎ阶下三角矩阵，通过ｎｘｎ阶协方差矩阵Ｒ的乔里斯基（ｈｌｓｙ解确定：Ｃｏｅｋ）分
收稿日期：０７—０２０９—０９作者简介：建平（９２一）王１６，男，副教授，研究方向：结构非线性分析。
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第５期
王建平：于Ａ基Ｒ模型方法的多维脉动风荷载时程的模拟
ｐ
（，）＝ｚｔ
ｕｔＡ）＋Ｎ（）（ —ｋｔｔ
（）１
式中，间第点坐标，空＝１２ … ，；Ａ，，ｎｐ为Ｒ模型阶数；ｔＡ是模拟风速时程的时间步长；为ＡＲ模型

高层建筑中的虚拟现实模拟设计

高层建筑中的虚拟现实模拟设计虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是一种通过计算机生成的多媒体模拟系统，能够模拟出人类对现实世界的感知和交互，创造出一种虚拟的环境。

近年来，随着科技的快速发展，虚拟现实技术开始在各个领域得到应用，其中就包括高层建筑设计领域。

本文将探讨虚拟现实在高层建筑中的模拟设计应用。

一、虚拟现实模拟设计的概念虚拟现实模拟设计指的是利用虚拟现实技术对高层建筑进行全方位的模拟和设计。

传统的高层建筑设计模式主要依赖于平面图、模型和渲染图，这些方式无法真实地模拟出建筑的空间感和用户体验。

而虚拟现实技术能够将设计者和用户带入虚拟的建筑环境中，让他们亲身体验和感受设计效果，从而更好地理解和评估建筑设计方案。

二、虚拟现实模拟设计的优势1. 模拟真实环境：虚拟现实技术利用沉浸式的交互方式，让设计者和用户能够身临其境地感受到建筑的真实氛围。

他们可以自由行走、观察、互动，感受空间尺度、光影效果和材料质感等，更好地理解和评估建筑方案。

2. 减少误解和修改成本：在传统的建筑设计中，设计师和业主之间常常存在沟通不畅、理解误差的问题，导致设计方案需要多次修改和调整。

而虚拟现实模拟设计可以准确展示设计意图和效果，避免了双方之间的误解，节省了修改成本和时间。

3. 提升用户体验：虚拟现实模拟设计充分考虑到用户的需求和体验，设计者可以根据用户的反馈及时优化设计方案，提升用户对建筑的满意度。

例如，通过虚拟现实技术可以模拟用户在高楼层观景台上的视觉效果，让用户在未实际建成前就可以预先体验到建筑带来的愉悦感。

4. 提高设计效率：虚拟现实模拟设计可以快速生成多个设计方案，并通过虚拟漫游、交互评审等方式快速找出设计中的问题和不足，加快设计迭代速度。

同时，虚拟现实模拟设计还可以实时联动设计软件，实现设计方案的即时修改和优化。

三、虚拟现实模拟设计在高层建筑中的应用1. 空间规划和布局：通过虚拟现实模拟设计，设计师可以在虚拟环境中模拟不同的空间布局和功能设置，评估不同方案的可行性和效果。

脉动风时程模拟及应用

黄盼盼. 等：脉动风时程模拟及应用
159
完全可以忽略…1。受粗糙元影响的近地层大气层称为 “大气边界层 ”。人类的生产、生活主要处于大气边界
层内。大气边界层风场具有很高的湍流特性，大i t 的实测风速数据表明，大气边界层内的自然风可视作平均风和脉动风的叠加[12]。 1 . 1 平均风基本特性
超过其他自然灾害（地震、水灾、火灾等）之和。特别是近年来，随着构筑物趋向高、大、柔方向发展，
风载荷已成为不可忽视的影响因素，很多规范对风载荷取值做了规定。考虑到风载荷与风速时程有直接关系，为实时、直观展示风速时程，便于学生掌握相关知我们利用 M A T L A B 编程模拟生成了脉动风。
ISSN 1002-4956 CN11-2034/T
实验技术与管理 Experimental Technology and Management
第 38 卷第 5 期 2021年 5 月 Vol.38 No.5 May 2021
D O I: 10.16791/ki.sjg.2021.05.032
A bstract: Nature wind at a point in space is composed o f average wind and fluctuating wind. The speed o f average wind does not change over time, and the speed o f fluctuating wind changes random ly over time. In this paper, the fluctuating wind is modeled as a stationary Gaussian stochastic process. To generate along-wind direction fluctuating wind, a procedure is programmed with MATLAB based on linear filtering method (AR model). Finally, the influence o f different wind speeds on the wind vibration response o f high-speed railway catenary is shown by using the generated fluctuating wind. The simulation power spectrum makes a good match with the target power spectrum. This method can be used in classroom teaching demonstration and experim ental teaching o f t4Wind engineering” ， which is helpful to improve students’ scientific research and practice ability. Key w ords: fluctuating wind; AR model; random process; contact wire

高耸结构空间相关风场的模拟研究

高耸结构空间相关风场的模拟研究刘学利(上海竞法企业发展有限公司上海200135)王肇民(上海同济大学建筑工程系上海200092)摘要本文提出了一种有效而实用的风荷载模拟方法,根据高耸结构的特点,采用随高度变化的风速谱,考虑风荷载的空间相关性,利用自回归模型模拟高耸结构的脉动风荷载。

算例表明该方法可靠而有效。

关键词模拟自回归模型脉动风高耸结构(电视塔、桅杆、烟囱等)由于高度较高,刚度较柔,在风荷载作用下容易产生较大的振动,对风荷载的作用比较敏感,因此,对这类结构风荷载是重要的设计荷载,有时甚至起决定性作用。

结构的抗风分析方法主要分为频域法和时域法。

对高耸结构这类重要的建筑物,除了进行频域内的分析外,还应进行时域内的分析,以了解结构风振反应的实际情况,从而确定结构在受力过程中的薄弱环节。

对结构进行时域内的风振分析,首先要确定结构的风荷载。

近年来,随着计算机技术的日益发展,人工模拟结构的随机输入得到了广泛的应用。

人工模拟风荷载可以考虑场地、风谱特性、建筑物的特点等条件的任意性,使模拟得到的风荷载尽量接近结构的实际风力。

目前,随机过程的模拟方法一般分为两类,即谐波迭加法和线性滤波器法。

由于谐波迭加法在进行多变量模拟时,需要在每个频率上进行大量运算,因此比较费机时,运算效率低,而线性滤波器法则占用内存少,计算快捷。

本文利用线性滤波器中的自回归模型及其参数识别技术,考虑高耸结构风速谱随高度变化的特点,模拟了其具有空间相关性的脉动风荷载。

算例表明本文提出的方法省时、高效,能够满足工程精度的要求。

1 考虑空间相关的风速谱目前,在风工程中广泛应用的Davenport提出的风速谱。

由于Davenport风速谱不随高度的变化而改变,这与湍流尺度在近地层中随高度的变化而改变的特点不符,特别是对于高度较高的高耸结构,显然是不合理的。

因此,本文采用Simiu于1974年提出的随高度变化的风速谱[1]。

S v(z,f)=200f*V2*f(1+50)5/3(1)式中,f*=f!zV(z),V*=0 4V101n(10/z0),为剪切速度,平均风速V(z)=V101n(z z0)1n(10/z0),其中z0为地面粗糙度,f为频率,V10为离地10m高度处的平均风速。

利用人工模拟脉动风压计算高层建筑横风向风振动力反应时程

四川建筑科学研究Sichuan Building Science 第32卷　第4期2006年8月收稿日期:2005207212作者简介:葛　楠(1963-),男,辽宁锦州人,博士,主要从事建筑结构工程抗风研究。

E 2ma il:genan 547259@sina .com利用人工模拟脉动风压计算高层建筑横风向风振动力反应时程葛　楠1,周锡元2,侯爱波2(1.中国建筑科学研究院,北京　100013;2.北京工业大学建筑工程学院,北京　100022)摘　要:根据日本规范中提出的横风向脉动风力谱系数函数,利用人工模拟横风向脉动风压时程的方法,提出了一个矩形高层建筑横风向风振反应时程的计算方法供参考。

采用Newmark 法与W ils on -θ法计算了2栋建筑物顶部的横风向风振反应。

计算结果表明,在横风向脉动风压的作用下,结构的风振反应以共振响应为主,非共振响应仅为次要的部分;这与谱分析法得出的结论是一致的;从而说明了计算结果的正确性。

这对于正确估算结构的风振反应值,为高层建筑风振控制措施设计提供参考依据是有一定意义的。

关键词:脉动风压;谱密度函数;湍流;加速度;相位差中图分类号:T U973.25 文献标识码:A 文章编号:1008-1933(2006)04-0026-05Evaluati on of ti m e history of wi n d i n duced vi brati on with man 2made wi n d pressure fluctuati on i n the across wi n d di recti on on hi gh rise buildi n gsGE Nan 1,ZHOU Xi 2yuan 2,HOU A i 2bo2(1.Depart m ent of A seis m ic Engineering,CABR,Beijing 100013,China;2.Depart m ent of A rchitecture ,BJP U,Beijing 100022,China )Abstract:A method for evaluating wind induced vibrati on in the acr oss wind directi on on rectangle high rise buildings has been p resen 2ted in this paper with si m ulati on of the p r ocess of wind p ressure fluctuati on .I n the computati on app r oach,the fluctuating p ressure in the acr oss wind directi on have been si m ulated according t o the fluctuating p ressure s pectrum density functi on s pecified in the Japanese building code .Evaluati on work has been done f or a 68m building and a 180m building with step by step method (the Ne wmark methodand the W ils on 2θmethod )and the results show that the res onant res ponse take the significant part of the t otal dyna m ic res ponse,the sa me conclusi on as in the case of s pectru m analysis .The conclusi on could be used as a reference f or wind vibrati on contr ol design .Key words:fluctuating p ressure;s pectral density functi on;turbulence;accelerati on;phase angle0　引　言来风在建筑物的周围会形成湍流风场,如图1所示,并引起建筑物一定幅度的风振振动。

风速时程AR模型及其快速实现

p
R ( j ∃ t) = -
∑7
k= 1
k
R [ (j -
k ) ∃ t ], j = 1, …, p
( 7)
p
R ( 0) = -
∑7
k= 1
k
R ( k ∃ t) + R N
( 8)
写成 A R 模型的正则方程, 即:
R ・7 = RN Op
( 9)
V (X , Y , Z , t) = -
R 12 ( ∃ t) R 22 ( 0) R 32 ( ∃ t) R
( p + 1) 2
R 13 ( 2∃ t) R 23 ( ∃ t ) R 33 ( 0) R
…
R 1 (p + 1) ( p ∃ t)
… R 2 (p + 1) [ ( p - 1) ∃ t ] … R 3 (p + 1) [ ( p - 2) ∃ t ] ω …
R 11 ( 0) R 21 ( ∃ t) R= R R 31 ( 2∃ t)
( p + 1) 1
式中, 7 = [ I , 7 1 , …, 7 p ]T , 为 ( p + 1 ) M ×M 阶矩阵, I 是 M 阶单位阵; R N 意义同前; O p 为 pM ×M 阶矩阵, 其元素全部为 0; R 为 ( p + 1)M × ( p + 1)M 阶自相关 Toep litz 矩阵, 写成分块矩阵的形式, 即:
p
( 4) j ∃ t) + N ( t) V T ( t - j ∃ t) ( 式中, j = 0, …, p. 作数学期望运算 Exp ecta t ion [ ] ) 并结合自相关函数的如下性质: T ( 5) R ( - j ∃ t) = E [V ( t) V ( t- j ∃ t) ] ( 6) R ( - j ∃ t ) = R ( j ∃ t) 得两个方程 ( 组) , 即:

超高层建筑脉动风速时程的数值模拟研究_李春祥

层建筑的风速时程。首先 , 考虑超高层建筑风速时程的时间和空间相关性 , 导出了使用 SRM - fast Four ier transfor m ( FFT ) 模拟超高层建筑五点脉动风速时程的显示理论表达式 , 指出了单边风速功率谱与双边风速功率谱在系数选取上的差别 , 这方面国外学者基本都是应用双边风速功率谱。接着 , 基于超高层建筑五点脉动风速时程的显示理论表达式 , 模拟了一幢高度为 200m 超高层建筑上 20 个点的风速时程。最后 , 通过比较模拟自相关函数和互相关函数与目标自相关函数和互相关函数的吻合程度 , 验证了 SRM - FFT 模拟超高层建筑上任意点数脉动风速时程的可行性。关键词 : 超高层建筑 ; 风荷载 ; 风速时程 ; 谱解法 : 随机过程 : 模拟中图分类号 : TU 311 文献标识码 : A
M-1 l= 0
EB
jm
2 超高层建筑 20 点风速时程的数值模拟
数值模拟中的参数 : 一座坐落于城市中心的超高层建筑 , 其高度为 200m, 模拟的风速点为 10 , 20 , 30 , 40 , 50 , 60 , 70 , 80 , 90 , 100 , 110, 120 , 130 , 140, 150 , 160 , 170 , 180 , 190, 200(单位 m ) 处, 10m 处的平均风速取为 25m / s , 地面粗糙度取为 k = 0 . 03 , 模拟的风速剖面为指数风速剖面, 其地面粗糙度指数取为 A= 0. 22, 模拟风速功率谱采用 Davenport谱 , 模拟相关函数只考虑高度方向的相关性 , 即取 C x = C y = 0 , C z = 10 。模拟时间间隔 0 . 785 s, 上截止频率为 4 rad / s , N = 2 048 , $X = 4 = 0 . 001 95 ,M = 2 N = 4 096 , 模拟的时间间隔 $t = 2 048 2P = 0 . 785, 模拟的时程是 T 0 = 20 @M - 1= 81 919s 。 M $X 图 1和图 2给出了上述超高层建筑上 20 个点的模拟风速时程及其相关的验证结果。其中图 1 给出了超高层建筑上 20 个点的模拟风速时程及自相关函数的模拟值与目标值的比较 ; 而图 2 给出了互相关函数的模拟值利目标值的比较。图 1 给出的是 1 000 s的模拟风速时程, 在模拟风速时程曲线中, 可以明显地看出各个点之间的风速不仅大小不同, 而且具有相位差, 明显体现出空间相关性的影响。在对自相关函数和互相关函数的比较可以看出, 模拟的自相关函数和互相关函数与目标自相关函数和互相关函数非常吻合。在对空间的相干性进行比较后可以看出 , 相邻两个风速点的相干性较强 , 相距越远, 相干性较弱。因此 , 自相关函数和互相关函数的模拟值与相应目标值的一致性, 验证了 SRM-FFT 模拟超高层建筑上任意点数脉动风速时程的可行性。

浅谈高层建筑风荷载模拟

浅谈高层建筑风荷载模拟摘要：两个高层建筑之间的风荷载现在是建筑工程业人士越来越关注的话题，那么如何有效的检测两个高层建筑之间的风荷载问题，成为越拉越多人困扰的问题。

本文在介绍从测量高层建筑之间的风荷载的方法上入手，从而探讨适合高层建筑风荷载测量的方法，关键词：高层建筑风荷载模拟前言：随着社会科学技术的飞速发展，在我国越来越多的高层建筑林立而起，相应的高层建筑之间的风荷载的作用成为人们关注的话题。

目前在我国没有对于大型的、跨尺度的空间架构建筑风荷载模拟的方法，要确定跨尺度空间结构高层建筑的风荷载作用，就要测定出相关风时速的曲线以及相关数据。

本文就谐波叠加法、线性滤波法和小波分析以及脉动风荷载模拟给予一定的介绍。

在风的时程曲线中，一般包含两种成分:一种是长周期部分，值常在10分钟以上;另一种是短周期部分，常仅有几秒种左右。

由于风的长周期远远大于一般结构的自振周期，其对结构的作用相当于静力作用。

脉动风是由于风的不规则性引起的，它的强度是随时间按随机规律变化的，由于它的周期较短，因而其作用性质是动力的，会引起结构的振动。

1 脉动风荷载模拟脉动风就离散化为作用于每一个质量集聚点的离散化脉动风荷载，其值可近似用该质量集中点处的脉动风压乘以相应作用点的作用面积来求取。

由于脉动风压为高斯平稳随机过程，且其具有空间相关性的特点，故对高层建筑的脉动风荷载必须建立起它的自功率谱和互功率谱密度函数。

相关人士根据世界上不同地点、不同高度测得的90多次强风记录，给出了如下形式的脉动风速谱:，其中的脉动功率风速谱的计算方法是；K是与地面粗糙度相关的系数。

脉动风荷载模拟通过脉动风速谱推出脉动风压谱，进而求出规格化的脉动风压谱，并对其进行复共珑分解。

根据国内相关的建筑结构规范，考虑脉动风的竖向相关性，建立了脉动风荷载的功率谱密度函数矩阵。

2 谐波叠加模拟谐波叠加法是基于三角级数求和的频谱表示法,其基本思想是将随机信号通过离散傅立叶分析变换,分解为一系列具有不同频率和幅值的正弦波或其他谐波。

某超高层建筑的脉动风荷载模拟及风振分析

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第３４卷第２２期２００８年８月
山西建筑
ＳＨＡＮＸＩＡＲＣＨＩＴＥＣＩ￣＇ＵＲＥ
Ｖｌ．４Ｎｏ２０３．２１
Ａｕ．２０ｇ０８
・６・７
文章编号：０９６２（０８２ —０７０１０ —８５２０）２０６ —２
计算量小，而且模拟的结果也比较吻合。型＿来模拟出结构的２条脉动风荷载时程样本。该方法基于自２Ｊ８效率高，考虑到实际风的时间相关性，采用时间序列分析中的自回归然风特性，考虑结构不同高度的空间相关性，能模拟出同时具有
考虑结构不同高度周期，对风荷载的静力和动力作用都很敏感，尤其是脉动风荷载征的平稳随机过程。本设计基于自然风特性，
采Ｒ模型模拟具有随机性、间相关性、间时空作用… 。文中根据建筑所在地的风荷载参数，于Ｄｖｎｏｔ基ａｅｐｒ脉的空间相关性，用Ａ直接在Ｍａｌｔｂ中编程实现快速模拟。该方法ａ动风速功率谱，采用现在广泛流行的线性滤波法中Ａ自回归模相关性的风速时程，Ｒ
一Ｈ：（）２
１脉动风荷载模拟
１１脉动风的基本特性．
文中主要考虑结构舒适度性能，重现期定为十年一遇【重引，
其中，Ｐ阶自回归过程， “为表示为ＡＰ）即过程当前时Ｒ（，
刻的值与其前Ｐ个时刻的值线性相关；为自回归系数；ｔＯｔｅ为纯随机过程。由上式，：有

高层建筑风场的脉动风速时程模拟

Ｋｅｒｓ：ｔｉｔｒｆｔｒｕｅｔｗｉｄｓｅｄｙｗｏｄｉｈｓｏｙｏｕｂｌｎｎｐｅ；ｗｅｇｔｄａｌｕｅｗａｅｓｐｒｏｉｉｎｉｅｒｆｌｅｉｇｍｅｉｈｅｍｐｉｄｖｕｅｐｓｔ；ｌａｉｒｎｔｏｎｔ
ｑａ，ｔｅｔｉｔｒｆｔｅｗｉｄｓｅｄｗａｅｉｅｏｍａｅｔｅｓｍｕａｅｉｉｔｒｆｔｅｗｉｄｓｅｄｕｌｈｉｍｅｈｓｏｙｏｈｎｐｅｓｒｖｓｄｔｋｈｉｌｔｄｔｍｅｈｓｏｙｏｈｎｐｅｍｏｅｒａｏａｌ．ｒｅｓｎｂｅ
关键词：动风速时程；谐波叠加法；线性滤波法；率谱脉功中图分类号：Ｕ３１Ｔ１文献标识码：Ａ
Ｓｍｕａｉｎｏｉｅｈｓｏｙｏｕｂｌｎｔｗｉｄｓｃａｉｌｔｏｆｔｉｔｒｆｔｒｕｅｎｐｃｍ
ｈｇ－ｉｅｉｈｒｓｓ
ＺＨＡＮＧｎ－ｉｇ，ＬＡＮＧｈ — ｕＤｏｇｂｎＩＳｕｇｏ，ＨＡＮｎｑａ，ＰＥＮＧ－ｉＹｉ－ｕｎＤｅｘ
（．ＳｈｏｆｉｉＢｉｉｎｉｅｒｎＷｕａｉｅｓｙＷｕａ４０７，ｈｎ；２ｈｊｚｕｎｓｉｔｆａｌｙＴｅｈｏｏｙｈｊ１ｃｏｌｖｌｕｌｎＥｎｅｇ，ｈｎＵｎｖｒｉ，ｈｎ３０２Ｃｉａ．ＳｉａｈａＩｔｕｅｉｏＣｄｇｇｉｔｉｇｎｔｏＲｗａｃｎｌ，Ｓｉｇｉ

重庆某高层建筑脉动风荷载模拟

２脉动风压的功率谱密度函数
采用加拿大学者Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ提出的顺风向脉动风速功率谱密度函数来推导脉动风荷载功率谱密度函
数，推导过程如下：
（１）对于串联多自由度体系模型，连续脉动风荷载离散为作用在每一质量集中质点上的水平脉动风
荷载，其值近似取为该质点处的脉动风压与相应迎风面积的乘积，计算公式为
Ｐｉ＝ｔ００９；（毛）心（名）ｐ，（毛）Ａ（ｉ）仙
脉动风作用是随机过程，可以用概率论和随机振动理论来分析。根据概率理论，样本模拟的目标是
要求产生的脉动风荷载时程样本的统计数字特征，如平均值、离散度、根方差等，应尽可能得接近给定的
理论值。
’
产生的脉动风荷载时程样本Ｆ（ｔ）为等间隔的离散数据值序列｛置｝（Ｊ＝１，２，…，Ⅳ）。样本均值
万方数据
石家庄铁道学院学报（自然科学版）
巧他29按照星谷胜和mshinozuka的方法取样本点为6000得到建筑物第三层的脉动风荷载样本求出其均值和方差并与由目标谱规格化davenport谱经验曲线算得脉动风荷载的理论值进行比较目标谱的脉动风荷载的均值和方差可以根据平稳随机过程相关概念求得6
第２１卷第２期
石家庄铁道学院学报（自然科学版）
Ｖ０１．２１Ｎｏ．２
１引言
采用重庆某高层建筑，根据随机振动理论¨．２】，对作用在此高层建筑上的脉动风荷载进行模拟。建筑总高度为２９３ｍ，将该建筑物等效成竖向串联多自由度体系来进行模拟（／７，＝７４）。高层建筑在大风下的风振响应控制是急需解决的问题，而由于高层建筑高度均比较高，对于高层建筑风振响应的直接动力分析比较困难，无法得到建筑的风荷载的时程样本曲线。因此，应对此高层建筑的多维人造脉动风荷载的时程样本曲线进行模拟，为将来对此高层建筑的风振控制研究奠定基础。

高层建筑风荷载模拟研究

高层建筑风荷载模拟研究
高层建筑风荷载模拟研究是研究重要组成部分，为保证建筑安全，必须根据不同的设计要求对建筑进行模拟计算以判断其安全性能。

有些建筑使用的极端气象状况的发生几率很小，但这种极端状况对建筑的影响却很大，因此，对高层建筑风荷载模拟研究至关重要。

高层建筑风荷载模拟研究中用到的模型可以分为两大类：基于地面测量数据的模型和基于数值模拟的模型。

前者比较容易使用，只需要在建筑上进行简单的测量，就可以模拟出建筑结构对不同类型的风荷载的响应。

后者则需要进行精确的数值模拟，主要是模拟风流的三维分布，以及周围环境对风流分布的影响，以便得到更加可靠的结果。

在进行高层建筑风荷载模拟研究时，除了需要考虑建筑原始结构的特点外，还需要考虑建筑环境，包括地形、地貌、建筑附属物以及临近的建筑等，这些因素都会对风载荷的分布有很大的影响。

另外，高层建筑风荷载模拟研究中还会用到一些分析方法，例如有限体积法，它能够更加准确的模拟出建筑对不同类型的风载荷的响应。

总之，高层建筑风荷载模拟研究是极其复杂的，需要考虑许多因素，并综合运用不同的模型和分析方法。

只有通过模拟正确预测风荷载的分布，才能确保建筑结构的安全性。

建筑增强现实 (AR)

建筑增强现实 (AR)建筑增强现实（AR）随着科技的发展，建筑行业也渐渐引入了新的技术应用，其中最引人注目的就是建筑增强现实（AR）。

建筑增强现实将虚拟现实（VR）与现实环境相结合，通过显示设备将信息直接叠加在真实场景中，为建筑设计与施工工作提供了全新的可能性。

本文将探讨建筑增强现实的原理、应用和潜在的未来发展。

一、建筑增强现实的原理建筑增强现实的核心原理是将虚拟模型与真实环境进行融合。

通过使用AR显示设备，如智能手机、平板电脑或头戴式显示器，建筑师、设计师和工程师可以将建筑设计模型通过摄像头投影到现实场景中。

这样，他们可以实时在现实环境中查看虚拟建筑模型的外观、结构和比例，以及与真实环境的交互。

为了实现这一融合，建筑增强现实技术使用了多种传感器和算法来感知现实世界的几何和视觉特征。

通过对真实环境的感知和建筑模型的虚拟呈现，AR设备可以精确地将虚拟信息叠加到现实场景中，让用户获得沉浸式的体验。

二、建筑增强现实的应用1.设计过程中的可视化在建筑设计的初期阶段，建筑师可以利用建筑增强现实技术将设计概念直观地展现给客户和团队成员。

通过将虚拟建筑模型投影到现实环境中，设计师可以展示建筑的外观、材质和空间布局，使客户更好地理解设计意图。

2.施工过程中的指导在建筑施工中，建筑增强现实可以提供实时的指导和支持。

施工人员可以通过AR设备查看建筑图纸、安装指南和细节说明，将虚拟信息与实际施工场景进行对比。

这不仅可以提高施工的准确性和效率，还可以减少错误和重复工作。

3.现场问题的解决建筑增强现实技术可以帮助解决在建筑现场遇到的问题。

施工人员可以使用AR设备来定位和标记隐藏在墙壁或地板下的管道和电线，避免损坏或误操作。

此外，通过虚拟投影，施工人员还可以模拟不同材料和颜色的效果，以帮助他们做出最佳的决策。

三、建筑增强现实的未来发展建筑增强现实技术仍处于不断发展和创新的阶段，其未来发展前景令人期待。

首先，随着AR技术的不断进步，AR设备将变得更加轻便、舒适和易用。

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R 11 R= R 21 R 12 R 22
… R 1n … R 2n … … … R nn
co sf Σ df ( 20)
…
R n1
…
R n2 S ∫
0
矩阵中的元素可由脉动风压的功率谱密度函数通过数值积分而求得:
R ij ( Σ) =
∞
P iP j
( 21)
对矩阵 R 进行 Cho lesky 分解可得:
董军1 , 邓洪洲2 , 刘学利2
( 11 南京建筑工程学院土木系, 江苏南京 210009; 21 同济大学, 上海 200092)
Ξ
摘要: 研究了脉动风速和脉动风压的概率统计表达方法, 给出了有关公式。采用时间
序列分析中 A R 模型方法实现了考虑空间相关性影响的高层建筑水平脉动风压时程模拟, 计算简洁高效。给出了应用实例, 结果合理。关键词: 高层建筑; 风荷载; 时程模拟; A R 模型中图分类号: TU 31113 文献标识码: A
w 2 2 2 2 Ρw f = E [w f ]= E [ (w - w ) ]= 4 2 Ρv v
2
( 7)
由零均值的高斯平稳随机过程的性质可知:
2 Ρv =
∫
0
∞
2 S v ( f ) d f Ρw f =
S ∫
0
∞
wf
(z , f ) d f
( 8)
将上两式代入式 ( 7) , 可得脉动风压功率谱密度函数为:
2 S v ( f ) = 4K v 10
X
2 3
2 4 f ( 1+ X )
( 3)
式中, X =
1 200f
v 10
, f 为频率 (H z) , v 10 为 10 m 高度处的平均风速 (m s) , K 为表面阻力系数。上
式得到了广泛应用, 我国规范也采用了此式。
2 风荷载的表达
根据空气动力学研究结果, 近地风可按无压缩流分析, 风速与风压的基本关系为:
w=
1 Χ 2 v 2 g
( 4)
式中, Χ 为空气容重, g 为重力加速度。同样也可将其分为平均风压和脉动风压:
w=w+w
f
( 5)
显然, 平均风压由平均风速决定, 而脉动风压不仅与脉动风速有关, 而且与平均风速有关。为了既反映各种因素对结构静力风荷载的影响, 又便于工程应用, 我国风荷载规范规定计算静力风压的公式为[ 6 ]:
21
v (z ) = v 10
z
Α
10
( 2)
式中: v ( z ) 为离地高度 z 处的平均风速; v 10 为离地高度 10 m 处的平均风速; Α为地面粗糙度系数。脉动风为随机过程, 必须用概率统计方法描述。由于脉动风速本身可用具有零均值的高斯平稳随机过程来表达, 且具有明显的各态历经性, 功率谱密度函数是其最重要的统计特征, 反映了某一频率域上脉动风的能量大小。不同高度处测得的 90 多次强风记录, 认为水平脉动风 D avenpo rt 根据世界上不同地点、速谱中, 紊流尺度沿高度是不变的, 可按下式计算[ 4 ]:
R = CC
T
( 22) 0 0 ( 23)
式中矩阵 C 为一下三角矩阵:
C 11 C= C 21
0
C 22
… …
…
C n1
…
C n2
… … … C nn
其中的元素可由如下的递推公式得到:
j- 1
R ij C ij =
∑C
k= 1
ik
C jk
i- 1
C jj
C 8× Α Λf ( z ) = 0. 5×35 ( 0116)
×
z
- Α
10
( 13)
由此可得结构高度 z 处脉动风压的均方差为: Λf ( z ) Λz ( z ) Λs ( z ) Λr Ρw f ( z ) = w Λ
0
( 14)
根据强风时的观察, 阵风作用下结构表面上不同位置风速和风向并不是完全同步的, 有时甚至是几乎无关的。因此, 确定建筑结构的脉动风压还必须考虑空间相关性。根据 SH I O TAN I 的建议, 相关性可用如下形式的相干函数表达[ 5 ]: Θ ij ( x i , x j , y i , y j , z i , z j ) = exp (x j - x i ) 2
L
x
+
(y j - y i ) 2
L
y
+
(z j - z i ) 2
L
z
1 2
( 15)
式中: Θ 。 ij 为脉动风压相干函数; L x = L y = 50, L z = 60
3 脉动风时程模拟
在明确风及风荷载特征及其统计规律的基础上, 可用随机过程模拟的方法得到脉动风速时程或脉动风压时程。目前, 模拟方法分为谐波合成法[ 7, 8 ] 和线性滤波器法[ 9 ] 两类。谐波合成法 (W AW S ) 及改进的谐波合成法 (CAW S ) 用一系列具有随机频率的余弦函数序列来模拟随机过程, 当所需模拟的维数比较大时, 随机频率的生成相当耗费机时, 因为它要在每个频率上进行大量运算。同时, 应用谐波合成法时, 谱密度仅包含离散频率点, 需要考虑较多的点数, 占用内存较多。线性滤波器法则是将人工生成的均值为零、具有白色谱的一系列随机数通过设计好的过滤器, 使其输出为具有给定谱的随机过程。该法占用内存少, 计算快捷。近年来, 线性滤波器法中自回归滑动平均模型 (A u to reg ressive M ove A verage M odels, 简记为 A RM A ) 和自回归模型 (A u to reg ressive M odels, 简记为 A R ) 被广泛用于描述平稳随机过程, 取得了良好结果。本文采用 A R 模型方法模拟高层建筑多变量互相关水平脉动风压时程。设 n 维脉动风荷载向量为 P , 其自功率谱密度函数和互功率谱密度函数为: S P iP i = Ρw f 2 ( z i ) A i 2S f ( f )
∫S
- ∞
∞
f
( f ) d f = 1) , 则有: ( 11)
2 S w f ( z , f ) = Ρw f ( z ) S f ( f )
S f (f ) =
S w f (z , f )
Ρw f ( z )
2
=
2X 2 3f ( 1+ X 2 ) 4
3
( 12)
在实际应用中, 设计脉动风压取为脉动风压均方差 Ρw f 与保证系数 Λ 的乘积 ( Λ= 210～ ( GBJ 9- 87) [ 6 ] , 脉动风压与平均风压之比称为脉动系数 Λf: 215) 。按照我国《建筑荷载规范》
风灾是自然灾害中造成人员和财产损失最大的一种。据统计, 全球每年由于风灾造成的损失近百亿美元, 平均有约 3 万人死亡。风灾损失的主要部分为工程结构的损坏倒塌及由此引起的人员伤亡和财产损失。为提高结构在风作用下的安全性, 传统结构设计思想主要是尽可能地提高结构的抗力, 如增大截面、增加刚度、提高材料强度等。然而这些技术措施存在较大的局限性, 难以有效适应工程发展的迫切需要。随着系统科学思想在结构工程中的应用和发展, 结构控制已成为目前抵御风和地震等随机荷载作用最有发展前途的方向之一, 并已有多个成功应用的工程实例[ 1～ 3 ]。为全面了解结构的风振响应特性, 特别是直观地反映风振控制的效果, 进行风振时程分析是最有效的途径之一, 为此需进行风荷载时程模拟。
S P iP j = Θ ij Ρ w f (z i ) Ρ w f ( z j ) A iA j S f ( f )
( 16) ( 17)
式中, Ρw f ( z i ) 、 Ρw f ( z j ) 为 i、 j 点处脉动风压的标准差, 见式 ( 14) ; A i、 A j 为 i、 j 点的迎风面积; z i、 z j 为结构第 i、 j 点的位置坐标。脉动风荷载{P } 的功率谱密度函数最终可用矩阵表示为: S P = S PS f (f )
p
R ( j ∃ t) =
∑a
i= 1
ki p
R [ (j ki
i ) ∃ t ] j = 1, 2, …, p
( 27) ( 28)
R ( 0) =
∑a
i= 1
2 R ( i ∃ t) + Ρke j = 0
利用高斯消去法, 由式 ( 27) 可以求出模型各参数为:
24
南京建筑工程学院学报 2000 年
ik
2
( 24)
则顺风向脉动风压向量 P 可表达为:
P ( t) = Cu ( t)
( 25)
式中, u ( t) 为 n 个互不相关的高斯随机过程 u k ( t) 组成的向量。由此可见, 脉动风荷载模拟的关键是求得 n 个统计独立的随机向量 u k ( t) 。在实际应用中, 应当用含尽可能少的参数的模型对时间序列建模。文献 [ 9 ] 的研究表明, 低阶的 A R 模型即可较好地模拟随机过程。采用 p 阶自回归模型, u k ( t) 可表示为:
1 风的表达
风是大气层中空气相对地球表面的运动, 其成因十分复杂。从本质上看, 主要是大气层吸收地球表面辐射热导致空气温度、密度、湿度不均匀, 从而在大气层中形成压差, 引起空气流动而形成风[ 4 ]。任一高度处风速可表达为平均风速和脉动风速之和: v ( z , t) = v ( z ) + v f ( z , t) 律, 按实测结果可用指数函数表达[ 5 ]:
Ξ
( 1)
表征风特性的最重要指标之一是平均风速沿高度的变化规律。平均风速沿高度的变化规