塑料大棚結(jié)構(gòu)的脈動風(fēng)速與風(fēng)壓時程模擬_姜迎春.pdf

塑料大棚結(jié)構(gòu)的脈動風(fēng)速與風(fēng)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(nóng) 業(yè)大學(xué) a工程學(xué)院 ; b水利學(xué)院 ; c信息與電氣工程學(xué)院 ， 沈陽 110866)摘 要 : 作用在塑料大棚結(jié)構(gòu)上的主要動力荷載是風(fēng)荷載 ， 考慮脈動風(fēng)作用的塑料大棚結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)能真實地反映結(jié)構(gòu)的受力特點 。為了對塑料大棚結(jié)構(gòu)進行時域內(nèi)風(fēng)振響應(yīng)分析 ， 必須解決脈動風(fēng)速時程模擬問題 。為此 ， 采用諧波疊加法對塑料大棚結(jié)構(gòu)表面的脈動風(fēng)速進行模擬 ， 獲得不同空間點的風(fēng)速時程曲線 ， 對比了模擬功率譜與目標(biāo)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(fēng)壓 ， 從而為研究塑料大棚結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)提供了荷載條件 。關(guān)鍵詞 : 塑料大棚 ; 脈動風(fēng)速 ; 風(fēng)壓時程 ; 諧波疊加法中圖分類號 : S26+1; TU261 文獻 標(biāo) 識碼 : A 文章編號 : 1003188X( 2019) 060013060 引言溫室是一種特殊 形式的農(nóng)業(yè)建筑 ， 除 了提供植物生長 、生產(chǎn)的基本空間及適宜的溫度 、濕度環(huán)境外 ， 還要承擔(dān)極端自然災(zāi)害 ( 強風(fēng) 、暴雪 ) 所產(chǎn)生的各類荷載作用 。隨著溫室結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展 ， 溫室結(jié)構(gòu)安全問題日益受到重視 ， 相關(guān)人員針對風(fēng)荷載在溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計中的取值問題 1、溫室表面風(fēng)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(fēng)導(dǎo)致塑料大棚結(jié)構(gòu)倒塌的工程事故 ， 造成了很大的經(jīng)濟損失 6。塑料 大棚結(jié)構(gòu)屬輕型結(jié)構(gòu) ， 具 有自重輕 、跨度較大 、骨架結(jié)構(gòu)柔而薄 、桿件截面小的特點 ， 使得這種結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載較為敏感 。對于塑料大棚結(jié)構(gòu)在時域內(nèi)進行分析 ， 可以更為精確地掌握塑料大棚結(jié)構(gòu)的風(fēng)振特性 。進行時域分析時需要得到風(fēng)速的時程樣本 ， 即解決風(fēng)荷載的輸入問題 。由于目前應(yīng)用于實際塑料大棚結(jié)構(gòu)的強風(fēng)作用過程記錄還不能普遍實現(xiàn) ， 采用人工模擬風(fēng)速時程的方法能有效解決風(fēng)速時程樣本問題 。風(fēng)速時程的模擬主要是針對脈動風(fēng)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(fēng)力 發(fā) 電塔 11、大跨 度 橋梁 12等結(jié) 構(gòu) 均有收稿 日 期 : 20180315基金項目 : 國家自然科學(xué)基金項目 ( 61673281); 中國博士后科學(xué)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(fēng)速時程的模擬研究 ， 因此對于風(fēng)荷載影響明顯的塑料大棚結(jié)構(gòu)的風(fēng)速時程模擬也應(yīng)進行深入研究 。本文根據(jù)塑料大 棚 的結(jié)構(gòu)特點 ， 對其脈動風(fēng)場的特性進行研究 ， 給出塑料大棚結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載模擬方法 。首先 ， 建立塑料大棚結(jié)構(gòu)模型并給出相關(guān)參數(shù) ; 其次 ，設(shè)計數(shù)值模擬計算程序 ， 獲得脈動風(fēng)速和脈動風(fēng)壓的時程曲線 ; 最后 ， 將模擬功率譜與目標(biāo)功率譜進行了對比 ， 變化趨勢吻合較好 ， 可為塑料大棚結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析提供風(fēng)荷載模擬輸入條件 。1 風(fēng)荷載模擬方法風(fēng) 速 時 程曲線可以看作由平均風(fēng)速和脈動風(fēng)速兩部分組成 ， 風(fēng)速時程的模擬主要是針對脈動風(fēng)速而言 13。作用 在 結(jié)構(gòu)上任一點的風(fēng)速 V x， y， z， t( ) 可由該點高度處的平均風(fēng)速 vz( ) 和 脈 動 風(fēng) 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(fēng)速 vz( ) 是指 風(fēng) 力大小 、方向在給定的時間間隔內(nèi)是不隨時間而變化的 ; 脈 動 風(fēng) 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(jié)構(gòu)脈動風(fēng)模擬的框架結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 。11 平均風(fēng)速平均風(fēng)速隨高度發(fā)生變化 ， 可以通過風(fēng)剖面來平均風(fēng)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(biāo) 準(zhǔn) 參考高·31·2019 年 6 月 農(nóng) 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(yīng)的平均風(fēng)速 ; vb為標(biāo)準(zhǔn)參考高度 zb處的 平 均風(fēng)速 ; 為地面粗糙度指數(shù) 。圖 1 塑料大棚結(jié)構(gòu)脈動風(fēng)模擬的框架結(jié)構(gòu)圖Fig1 Fluctuating wind simulation of plastic greenhouses structure12 脈動 風(fēng) 速脈動風(fēng)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(fēng)速的特性可用功率譜和相關(guān)函數(shù)描述 。其中 ， 功率譜反映脈動風(fēng)速中各頻率成分對應(yīng)的能量分布規(guī)律 ; 相關(guān)函數(shù)則反映各點脈動風(fēng)速之間在時間或空間的相互影響關(guān)系 。風(fēng)工程中廣泛采用 Davenport 提出的沿高度不變的風(fēng)速譜 13， 即脈動風(fēng)速的自功率譜為Svf( ) = 4kv210x2f 1 + x2( )4/3( 3)其 中 ， Svf( ) 為脈動風(fēng)速功率 譜 ; f 為 脈動風(fēng)速頻率 ( Hz); x= 1200f/v10; v10為 10m 高度 處 的平均風(fēng)速 ; k 為地面粗糙度系數(shù) 。脈動風(fēng)速的統(tǒng)計特性可用互譜密度函數(shù)來描述 ，互相關(guān)函數(shù)的值大小表征了空間兩點脈動相關(guān)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(fēng)的自功率譜 ; Sij為點 i 和點 j 的 互 功率譜 ， 表示脈動風(fēng)場的相干性 ?；プV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 ?；プV密度與相干函數(shù)有如下的關(guān)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(fēng)速 。·41·2019 年 6 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 6 期相位 角 ( f) 與 無量綱坐標(biāo)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(zhuǎn)置 共 軛矩陣 。H( f) =H11( f) 0 0H21( f) H22( f) 0 Hn1( f) Hn2( f) Hnn( f)脈動 風(fēng) 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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速時程 vi( t) 。13 脈動 風(fēng) 壓在已知風(fēng)速的情況下 ， 可得到順風(fēng)向高度處的風(fēng)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(fēng) 壓 ;12 2v( z) v( x， y， z， t) + v( x， y， z， t2 表示 高 度 z 處脈動風(fēng)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(jié)構(gòu)計算模型 。其跨度為60m， 脊高為 25m; 骨架結(jié)構(gòu)共 55 個節(jié)點 ; 風(fēng)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(fēng)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(fēng)壓為 w0= 055，地面 上 離地 10m 處平均風(fēng)速為 v0= w0×槡1600 = 2967m/s。溫室 結(jié) 構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖Fig2 Sketch of the plastic greenhouses structure22 模擬 結(jié) 果分析221 不同空間點脈動風(fēng)速時程模擬采用 MatLab 2010a 軟件編制了仿真程序 ， 在 PC機 ( 內(nèi)核 i54590 33GHz CPU， 16G內(nèi)存 ， Windows 764bit) 上進行了模擬 。圖 2 中的塑料大棚結(jié)構(gòu)中點 1、點 2、點 6、點 11 處的脈動風(fēng)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(fēng)速時程也相近 ; 點 6 和點 11 的空間位置相差較大 ， 則風(fēng)速時程也有顯著差別 。4 個空間點的風(fēng)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(nóng) 機 化 研 究 第 6 期圖 3 塑料 大 棚結(jié)構(gòu)不同空間點的脈動風(fēng)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(fēng)速功率譜模擬脈 動 風(fēng) 速的自功率譜能夠反映出模擬風(fēng)速與實際風(fēng)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(fēng)速功率譜與 Davenport 脈動風(fēng)速功率譜對比結(jié)果 ， 采用雙對數(shù)坐標(biāo)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(biāo)功率譜吻合效果較好 ， 塑料大棚結(jié)構(gòu)空間位置不同點的脈動風(fēng)速時程的模擬結(jié)果是可靠的 。圖 4 模擬譜與目標(biāo)譜對比Fig4 Fluctuating wind power calculation spectrum contrastwith target spectrum·61·2019 年 6 月 農(nóng) 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(fēng)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(fēng)速的相干性較強 ， 隨著兩點距離的增加 ， 風(fēng)速的相干性逐漸減弱 ， 符合風(fēng)場相干性規(guī)律 。圖 5 不同點的歸一化互 相關(guān)函數(shù)比較Fig5 The normalized cross correlation function of different differences224 不同空間點的脈動風(fēng)壓時程模擬不同 點 處的脈動風(fēng)壓時程曲線可由平均風(fēng)速和脈動風(fēng)速得到 。圖 6 為模擬點 2 和點 11 的風(fēng)壓時程曲線 。隨空間點的變化風(fēng)壓也產(chǎn)生變化 ， 點 2 在 278s時出現(xiàn)風(fēng)壓的最大值為 203kN/m2; 點 11 在 28s 時出現(xiàn) 風(fēng) 壓的最大值為 24kN/m2。脈動 風(fēng) 壓時程可為研究塑料大棚結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)提供荷載條件 。圖 6 塑料大棚結(jié)構(gòu)不同點的脈動風(fēng)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(nóng) 機 化 研 究 第 6 期3 結(jié)論采用 諧 波疊加法對塑料大棚結(jié)構(gòu)空間不同點的脈動風(fēng)速進行模擬 ， 獲得了脈動風(fēng)速時程曲線 。不同空間點的脈動風(fēng)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(fēng)速時程曲線的差異也增加 。分別將不同空間點的風(fēng)速功率譜與 Davenport脈動風(fēng)速功率譜進行對比 ， 結(jié)果表明 : 模擬功率譜與目標(biāo)功率譜的變化趨勢吻合效果較好 ， 表明脈動風(fēng)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(fēng)速的相干性最強 ， 隨著兩點距離的增加 ， 風(fēng)速的相干性逐漸減弱 ， 變化規(guī)律符合風(fēng)場的相干性規(guī)律 。模擬了不同點的脈動風(fēng)壓時程 ， 旨在為研究塑料大棚結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)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(shè)計中基本風(fēng)壓取值方法 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ， 2014， 30( 12): 171176 2 雷雋卿 ， 蔣 秀根 ， 李保明 海島溫室結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計中基本風(fēng)壓取值方法 J 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報 ， 2010， 26( 6) : 11061110 3 楊再強 ， 張 波 ， 薛曉萍 ， 等 設(shè)施塑料大棚風(fēng)洞試驗及風(fēng)壓分布規(guī)律 J 生態(tài)學(xué)報 ， 2012， 32 ( 24) : 77307737 4 金健 ， 童樂 為 ， 周鋒 Venlo 型溫室結(jié)構(gòu)空間作用的分析與應(yīng)用研究 C / /2014 年全國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工學(xué)術(shù)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(yīng)的溫室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力計算 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ， 2016， 32( S1) :224232 6 周 長吉 暴 風(fēng)雪造成連棟溫室倒塌的啟示 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) ， 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(fēng)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(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速時程數(shù)值模擬 J 中國電機工程學(xué)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(jié)構(gòu)的脈動風(fēng)速時程 J 振動與沖擊 ，2014， 33( 3): 2934 13 王 之宏 風(fēng)荷載的模擬研究 J 建 筑結(jié)構(gòu)學(xué)報 ， 1994， 15( 1): 4452 14 黃本才 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用 M 上 海 : 同濟大學(xué)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(fēng)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(shè)部 建筑結(jié)構(gòu)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(nóng) 機 化 研 究 第 6 期