基于虚拟激励法的大跨结构风荷载识别

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随着经济的发展和科技的进步,大跨结构在公共建筑中得到广泛应用。由于大跨结构多为质量轻、阻尼小的空间结构,对风荷载较敏感,因此风荷载是大跨结构设计的控制荷载。另一方面由于大跨结构的跨度很大,在距离较远的两点风荷载并不相同,因此在结构设计中需要考虑风荷载的空间相关性影响。  目前对风荷载的研究主要有现场测试、理论计算和风洞实验三种方法,其中风洞实验是最重要的方法。风洞试验比理论计算更具直观性,但其实验花费较高,并且风洞实验模拟的风荷载并不能确保与结构所在场地风荷载一致。  针对风荷载实时测量非常困难而结构动力响应容易测得的特点,本文通过实测动力响应反演荷载的方法来识别结构随机风荷载。目前荷载识别的研究主要针对周期性动荷载和冲击荷载两大类,对随机风荷载的识别研究较少。虚拟激励法成功地将荷载识别方法推广到随机荷载识别,为随机风荷载识别提供了可行的方法。本文将虚拟激励法运用到大跨结构风荷载谱识别中,根据虚拟激励法的基本原理引入了结构的风荷载频域识别方法,并采用数值仿真来验证该方法的可行性。  采用数值仿真方法对作用于大跨结构上的风压谱进行识别。针对在风荷载模拟过程中出现的精度不高和模拟效率低的特点,本文综合了AR模型法及谐波叠加法的优点,引入风荷载混合模拟方法,在满足精度要求的前提下提高了模拟效率,模拟得到了具有空间相关性的风荷载时程。分析了影响识别精度的因素,采用不同的方法来提高识别精度,并通过数值仿真验证了各种方法提高精度的效果。进一步探讨了振型对结构荷载识别的影响,通过计算发现累积模态贡献系数达到80%,识别结果满足精度要求,确定了选用振型的原则。  总结了现有常用相干函数模型的特点,并结合现有相干函数识别方法,在虚拟激励法的基础上引入相干函数识别公式。并针对识别中出现的误差进行分析,提出了优化方法。根据识别结果是否与频率相关,分别采用不同的方法对识别结果进行优化,通过最小二乘方法对识别曲线拟合,得到了满足精度要求的结果。分别采用考虑相干函数的风荷载谱和不考虑相干函数的风荷载谱对结构风致响应进行了计算,探讨了相干函数对结构位移和内力的影响。
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