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塑料大棚结构的脉动风速与风压时程模拟_姜迎春.pdf

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塑料大棚结构的脉动风速与风压时程模拟_姜迎春.pdf

塑料大棚结构的脉动风速与风压时程模拟姜迎 春a, b, 白义 奎b, 周东 升c, 王永 刚c 沈阳 农 业大学 a.工程学院 ; b.水利学院 ; c.信息与电气工程学院 , 沈阳 110866摘 要 作用在塑料大棚结构上的主要动力荷载是风荷载 , 考虑脉动风作用的塑料大棚结构风振响应能真实地反映结构的受力特点 。为了对塑料大棚结构进行时域内风振响应分析 , 必须解决脉动风速时程模拟问题 。为此 , 采用谐波叠加法对塑料大棚结构表面的脉动风速进行模拟 , 获得不同空间点的风速时程曲线 , 对比了模拟功率谱与目标功率谱的变化趋势 , 分析了不同空间位置的相干性随两点距离增加的变化规律 , 模拟了不同点的脉动风压 , 从而为研究塑料大棚结构风振响应提供了荷载条件 。关键词 塑料大棚 ; 脉动风速 ; 风压时程 ; 谐波叠加法中图分类号 S261; TU261 文献 标 识码 A 文章编号 1003-188X 2019 06-0013-060 引言温室是一种特殊 形式的农业建筑 , 除 了提供植物生长 、生产的基本空间及适宜的温度 、湿度环境外 , 还要承担极端自然灾害 强风 、暴雪 所产生的各类荷载作用 。随着温室结构的不断发展 , 温室结构安全问题日益受到重视 , 相关人员针对风荷载在温室结构设计中的取值问题[ 1]、温室表面风压分布规律[ 2-3]及温 室承 载力等方面[ 4-5]进行了 研究 。近年来发生了多起由于大风导致塑料大棚结构倒塌的工程事故 , 造成了很大的经济损失[ 6]。塑料 大棚结构属轻型结构 , 具 有自重轻 、跨度较大 、骨架结构柔而薄 、杆件截面小的特点 , 使得这种结构对风荷载较为敏感 。对于塑料大棚结构在时域内进行分析 , 可以更为精确地掌握塑料大棚结构的风振特性 。进行时域分析时需要得到风速的时程样本 , 即解决风荷载的输入问题 。由于目前应用于实际塑料大棚结构的强风作用过程记录还不能普遍实现 , 采用人工模拟风速时程的方法能有效解决风速时程样本问题 。风速时程的模拟主要是针对脉动风速时程而言的 , 主要采用谐波叠加法和线性滤波法[ 7- 9]。目前 , 针 对 超高层建筑[ 10]、风力 发 电塔[ 11]、大跨 度 桥梁[ 12]等结 构 均有收稿 日 期 2018-03-15基金项目 国家自然科学基金项目 61673281; 中国博士后科学基金项目 2014M561250 ; 辽宁省博士启动基金项目 201601112作者简 介 姜迎春 1978-, 女 , 辽宁大连人 , 讲师 , 博士 , E-mailjyclg-72 163.com。风速时程的模拟研究 , 因此对于风荷载影响明显的塑料大棚结构的风速时程模拟也应进行深入研究 。本文根据塑料大 棚 的结构特点 , 对其脉动风场的特性进行研究 , 给出塑料大棚结构风荷载模拟方法 。首先 , 建立塑料大棚结构模型并给出相关参数 ; 其次 ,设计数值模拟计算程序 , 获得脉动风速和脉动风压的时程曲线 ; 最后 , 将模拟功率谱与目标功率谱进行了对比 , 变化趋势吻合较好 , 可为塑料大棚结构动力响应分析提供风荷载模拟输入条件 。1 风荷载模拟方法风 速 时 程曲线可以看作由平均风速和脉动风速两部分组成 , 风速时程的模拟主要是针对脉动风速而言[ 13]。作用 在 结构上任一点的风速 V x, y, z, t 可由该点高度处的平均风速 v-z 和 脉 动 风 速v x, y, z, t 两部分共同作用而成 , 即V x, y, z, t v-z v x, y, z, t 1其 中 , 平均 风速 v-z 是指 风 力大小 、方向在给定的时间间隔内是不随时间而变化的 ; 脉 动 风 速v x, y, z, t 则 具有随机性 , 随时间和空间随机地变化 , 需要用随机理论来处理 。塑料大棚结构脉动风模拟的框架结构如图 1 所示 。1.1 平均风速平均风速随高度发生变化 , 可以通过风剖面来平均风速变化规律可用指数函数表示[ 14], 即v- zv-bzzb α 2其中 , z 为任一高度或离地高度 ; zb为标 准 参考高312019 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期DOI10.13427/ki.njyi.2019.06.003度 , 规范 中 取 zb 10m; v-z 为高 度 z 处对应的平均风速 ; v-b为标准参考高度 zb处的 平 均风速 ; α 为地面粗糙度指数 。图 1 塑料大棚结构脉动风模拟的框架结构图Fig.1 Fluctuating wind simulation of plastic greenhouses structure1.2 脉动 风 速脉动风具有随机性 , 可用具有零均值的平稳高斯随机过程来表达 。脉动风速的特性可用功率谱和相关函数描述 。其中 , 功率谱反映脉动风速中各频率成分对应的能量分布规律 ; 相关函数则反映各点脉动风速之间在时间或空间的相互影响关系 。风工程中广泛采用 Davenport 提出的沿高度不变的风速谱[ 13], 即脉动风速的自功率谱为Svf 4kv-210 x2f 1 x2 4/3 3其 中 , Svf 为脉动风速功率 谱 ; f 为 脉动风速频率 Hz; x 1200f/v-10; v-10为 10m 高度 处 的平均风速 ; k 为地面粗糙度系数 。脉动风速的统计特性可用互谱密度函数来描述 ,互相关函数的值大小表征了空间两点脉动相关程度的强弱 。互谱密度矩阵为S f S11 f S12 f S1n fS21 f S22 f S2n f   Sn1 f Sn2 f Snn f 4其中 , Sii为点 i 的脉动风的自功率谱 ; Sij为点 i 和点 j 的 互 功率谱 , 表示脉动风场的相干性 。互谱密度矩阵中的元素可通过下式求得 , 即Sij f Sij f eiθ f Sii f Sjj f槡 Coh f ejθ f i, j 1, 2 , , n 5其中 , Coh f 为相干函数 ; θ f 为相位角 。互谱密度与相干函数有如下的关系 , 即Coh f exp- 2f C2x xi- xj2 C2y yi- yj2 C2z zi- zj槡2v- zi v- zj 6其中 , Cx、Cy、Cz为衰 减 系数 , 一般取 Cx 8、Cy16、Cz 10; v- zi 、v-zj 分别为空间任意两点 i 和 j高度处的平均风速 。412019 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期相位 角 θ f 与 无量纲坐标fΔzv-之间 的 计算公式为[ 13]θ fπ4fΔzv- zfΔzv- z< 0.1- 10πfΔzv- z 1.25 0.1≤fΔzv- z≤0.125[ - π, π] 上均 匀 分布的随机数fΔzv- z> 0.125 7按 照 Cholesky 分解法 , 互谱密度矩阵 S f 可分解为S f H f H* fT 8其 中 , H f 为 下 三角矩阵 ; H* fT为 H f 的 转置 共 轭矩阵 。H f H11 f 0 0H21 f H22 f 0   Hn1 f Hn2 f Hnn f脉动 风 假定为具有零均值的平稳高斯随机过程 ,采用谐波叠加法[ 15]将 脉 动 风速 vi t 表 示 为vj t ∑jk 1∑Nl 1Hjk fl 22πΔ槡f cos 2πflt θjkfl φkl[ ] 9其中 , N 为脉动风频率采样点数 ; j 为 模 拟点的个数 ; Hjk fl 为上述下三角矩阵中 的 元素 ; Δf fu-fd /N 为频 率 增量 , fu和 fd分别为脉动风截取频率的上限 和 下限 ; θjk fl 为两个不同作用点 之 间的相位角 ; φkl为均 匀 分布在 [ 0, 2π] 之间的随机数 。对式 9 进行快速 FFT 变换[ 16]计算 , 可 得 到脉动风速时程 vi t 。1.3 脉动 风 压在已知风速的情况下 , 可得到顺风向高度处的风压 w z, t 为w z, t 12ρV2 x, y, z, t 12ρ[ v- z v x, y, z, t]212ρv- z212ρ[ 2v- z v x, y, z, t v x, y, z, t2] 10其中 ,12ρv- z2表 示 高 度 z 处 的 平 均 风 压 ;12ρ[ 2v- z v x, y, z, t v x, y, z, t2] 表示 高 度 z 处脉动风压 。2 仿真 实 例2.1 塑料大棚的模型与参数图 2 为塑 料 大棚骨架结构计算模型 。其跨度为6.0m, 脊高为 2.5m; 骨架结构共 55 个节点 ; 风速模拟的时间步长取 0.1s, 计算时长为 100s; 频率取值范围为 0~1Hz; 脉动风频率分割份数 N 1024。根据文献 [ 17] 计算得出体型系数 us 0.493,沈阳地区基本风压为 w0 0.55,地面 上 离地 10m 处平均风速为 v0 w0槡1600 29.67m/s。温室 结 构一般位于城市空旷地区 , 该地区的地面粗糙度一般取 B类 , 式 2 中的地面粗糙度指数取 α 0.16,式 3 中的地面粗糙度系数 k 0.03[ 14]。图 2 塑料大棚结构示意图Fig.2 Sketch of the plastic greenhouses structure2.2 模拟 结 果分析2.2.1 不同空间点脉动风速时程模拟采用 MatLab 2010a 软件编制了仿真程序 , 在 PC机 内核 i5-4590 3.3GHz CPU, 16G内存 , Windows 764bit 上进行了模拟 。图 2 中的塑料大棚结构中点 1、点 2、点 6、点 11 处的脉动风速时程分别如图 3 中的 a ~ d 所示 。从各点时程可知 点 1 和点 2 的空间位置相近 , 模拟的风速时程也相近 ; 点 6 和点 11 的空间位置相差较大 , 则风速时程也有显著差别 。4 个空间点的风速时程曲线的峰值出现在 79s 的时刻 , 此时点 6 和点 11 的峰值明显大于点 1 和点 2 的峰值 。512019 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期图 3 塑料 大 棚结构不同空间点的脉动风速时程曲线Fig.3 Fluctuating wind speed time history curve in different space points ofthe plastic greenhouses structure2.2.2 不同空间点脉动风速功率谱模拟脉 动 风 速的自功率谱能够反映出模拟风速与实际风速统计特性的相似度 。模拟得到的点 1、点 2、点6、点 11 的风速功率谱与 Davenport 脉动风速功率谱对比结果 , 采用双对数坐标轴形式表示 , 如图 4 中的 a~ d 所示 。由图 4 可见 模拟功率谱的变化趋势与目标功率谱吻合效果较好 , 塑料大棚结构空间位置不同点的脉动风速时程的模拟结果是可靠的 。图 4 模拟谱与目标谱对比Fig.4 Fluctuating wind power calculation spectrum contrastwith target spectrum612019 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期2.2.3 不同空间点的相干性比较图 5 中的 a ~ d 为 空 间 1 点分别与点 2、点 4、点 6 和点 11 的空间相干性的比较 , Rmax表示 归 一化的互相干函数的最大值 。由图 5 可知 点 1、点 2 两个相邻点的风速的相干性最强 , 其相干性函数最大值 Rmax 0. 9741;点 1 和点 4 的 相 干 函 数 最 大 值 Rmax0.9441; 点 1 和点 6 的相干函数最大 值 Rmax 0.9150;点 1 和点 11 的 相干性最弱 , 其相干性函数最大值 Rmax0.8756。可见 , 相 邻 两点风速的相干性较强 , 随着两点距离的增加 , 风速的相干性逐渐减弱 , 符合风场相干性规律 。图 5 不同点的归一化互 相关函数比较Fig.5 The normalized cross correlation function of different differences2.2.4 不同空间点的脉动风压时程模拟不同 点 处的脉动风压时程曲线可由平均风速和脉动风速得到 。图 6 为模拟点 2 和点 11 的风压时程曲线 。随空间点的变化风压也产生变化 , 点 2 在 27.8s时出现风压的最大值为 2.03kN/m2; 点 11 在 28s 时出现 风 压的最大值为 2.4kN/m2。脉动 风 压时程可为研究塑料大棚结构风振响应提供荷载条件 。图 6 塑料大棚结构不同点的脉动风压时程曲线Fig.6 Fluctuating wind pressure time history curve in different spacepoints of the plastic greenhouses structure712019 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期3 结论采用 谐 波叠加法对塑料大棚结构空间不同点的脉动风速进行模拟 , 获得了脉动风速时程曲线 。不同空间点的脉动风速峰值出现的时刻相同 , 但数值相差较大 ; 随着空间位置的增加 , 风速时程曲线的差异也增加 。分别将不同空间点的风速功率谱与 Davenport脉动风速功率谱进行对比 , 结果表明 模拟功率谱与目标功率谱的变化趋势吻合效果较好 , 表明脉动风速时程的模拟满足精度要求 。计算了不同空间位置的相干性 , 两个相邻点风速的相干性最强 , 随着两点距离的增加 , 风速的相干性逐渐减弱 , 变化规律符合风场的相干性规律 。模拟了不同点的脉动风压时程 , 旨在为研究塑料大棚结构风振响应提供荷载条件 。参考文献 [ 1] 闫俊 月 , 周 磊 , 周长吉 , 等 .塑料大棚设计中基本风压取值方法 [ J] . 农业工程学报 , 2014, 30 12 171-176.[ 2] 雷隽卿 , 蒋 秀根 , 李保明 .海岛温室结构抗风设计中基本风压取值方法 [ J] .沈阳建筑大学学报 , 2010, 26 6 1106-1110.[ 3] 杨再强 , 张 波 , 薛晓萍 , 等 . 设施塑料大棚风洞试验及风压分布规律 [ J] . 生态学报 , 2012, 32 24 7730-7737.[ 4] 金健 , 童乐 为 , 周锋 .Venlo 型温室结构空间作用的分析与应用研究 [ C] / /2014 年全国钢结构设计与施工学术会议集 .青海 工业建筑杂志社有限公司 , 2014 132-135.[ 5] 丁敏 , 李密密 , 施旭栋 , 等 .考虑覆盖材料蒙皮效应的温室结构稳定承载力计算 [ J] .农业工程学报 , 2016, 32 S1 224-232.[ 6] 周 长吉 . 暴 风雪造成连栋温室倒塌的启示 [ J] .农业工程技术 , 2007 12 13-15.[ 7] RochaM M, Cabral S V S, Riera J D. 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In this study, the samples of the fluctuatingwind speed for surface of the plastic greenhouses structure were simulated by using the harmonic superposition ,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 ting data for the study of wind vibration response of plastic greenhouses.Key words plastic greenhouses; fluctuating wind speed; wind pressure history; harmonic superposition 812019 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期

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