大跨门式钢架轻钢结构脉动风荷载的模拟分析摘要
本文采用ansys有限元软件建立某大跨门式刚架模型，主要采用线性滤波法，忽略了结构的空间相关性，应用计算机仿真软件针对此模型进行水平脉动风荷载的数值模拟，并分析了大跨门式刚架风荷载的分布特点,总结出了：迎风面上各节点的风荷载随着高度的增加其值也在不断的增大，而背风面正好与其相反；背风面上各节点的风荷载值普遍比迎风面上个节点的风荷载值大。

随着高度的增大，两面各节点风荷载的比值在不断缩小，同时为后续的大跨门式刚架结构的风振时程分析提供了参考以及输入荷载。

关键词：大跨门式刚架；脉动风；脉动风荷载模拟；线性滤波法
中图分类号：tu74 文献标识码：a 文章编号：
1 引言
大跨门式刚架结构是柔性体系，具有柔度大、阻尼小等特点，因而对风荷载十分敏感。

近年来，伴随着结构的跨度不断增大，体型日益复杂，风对门式刚架轻型钢结构产生的破坏越来越显著。

国内外很多专家学者对此作了一系列研究并取得了一定成果，但就脉动风荷载作用下轻型门式刚架响应的研究还比较少，门式刚架轻钢结构建筑的风振研究尚未成熟，没有形成完整的理论体系，我国现行规范也未作出任何明确的规定；由于建筑大空间的需要，门式刚架轻钢结构越建越高，跨度越来越大，导致其柔度越来越大，结构
固有周期普遍达到0.5s以上，有的可达1s以上，风振的影响不断增大，风灾造成的破坏也越来越显著。

因此，对大跨门式刚架轻钢结构风荷载特点的研究具有非常重要的意义。

2 风荷载的特点
在风的顺风时程曲线中，一般包含两种成分：一种是长周期部分，其值常在10分钟以上；另一种是短周期成分，常仅有几秒钟左右。

根据上述两种成份，实际上常把风分为平均风（即稳定风）和脉动风（常称为阵风脉动）来加以分析。

平均风是在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其他物理量都看成不随时间而改变的量，考虑到风的长周期大大地大于一般结构的自振周期，因而其作用性质相当于静力。

脉动风是由于风的不规则性引起的，他的强度是随时间按随机规律变化的。

由于它周期较短，因而其作用性质是动力的，引起结构的振动[1]。

作用于结构上任意高度处的风速可以表示为平均风速和脉动风速之和。

风的模拟主要是针对脉动风而言。

时域内脉动风荷载的分析，就是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,本文采用线性滤波法模拟风荷载。

3 风荷载的模拟
根据风的记录，脉动风可作为高斯过程及平稳随机过程来考虑
[2]。

3.1 线性滤波法（ar法）模拟风谱
现在在风工程界广泛承认的顺风向水平脉动风速谱为
davenport谱，也是我国规范所采用的风速谱。

它假设紊流尺度沿高度不变，谱密度函数为
，（1）（2）
式中，k为地面粗糙度系数；为10m高度处平均风速。

为脉动风频率，x为湍流积分尺度系数。

研究表明，低阶的ar模型即可较好地模拟随机过程。

采用p阶自回归模型，即过程当前时刻的值与其前p个时刻的值线性相关，因为只考虑高度方向的相关性，所以可表示为：
式中，是空间第点坐标，；为ar模型阶数；是模拟风速时程的时间步长；为ar模型自回归系数矩阵为阶方阵，，为独立随机过程向量。

以上所述是脉动风速谱的模拟,由于研究和实际工程计算需要,很多情况下要用到脉动风压谱,于是根据脉动风压功率谱的定义和wiener-khintchine定理,可以得到脉动风压的功率谱为: （3）（4）
式中：为脉动风压的功率谱函数；为空气质量密度；为 z高度处的风速，；为z高度处的风压值，其他符号意义同公式（1）。

这样通过脉动风压功率谱就可以模拟z高度处的脉动风压时程曲线，则通过下式就可以得到脉动风荷载时程。

式中：、、分别为处的风荷载体型系数、迎风面积和脉动风压[3]。

3.2 算例模拟
在ansys环境中建立跨度为30米，高度为9米的某大跨门式刚
架结构模型（如图1），根据上述理论，忽略结构的空间相关性，采用matlab软件模拟沈阳地区大跨门式刚架厂房结构风荷载，平均风速25m/s，地面粗糙度系数为0.00215，大气密度ρ=1/820，取n=2048，时间为200s，时间间隔为1s.对模型上各个节点的风荷载时程进行模拟，得到各节点风荷载时程，如图1~2。

图1迎风柱风荷载时程曲线图图2 背风柱风荷载时程曲线图图1和图2是结构门式刚架结构迎风柱和背风柱上的节点的风荷载时程图，图中表明：两侧刚架柱最大正风荷载值都出现在第50s 左右，而负风荷载最大值则出现在18s左右；在第60s以后风荷载变化频率较大，波动剧烈。

这是因为：结构在风荷载作用的初期，受风荷载的影响较小，随着风荷载对结构的持续作用，其受风荷载的影响逐渐加大。

但由于脉动风荷载大小的不确定性，结构受到的影响也出现波动变化，时间越长变化越剧烈。

4 结论
本文采用时间序列分析中广泛应用的ar模型，忽略了结构的空间相关性，模拟某大跨门式钢架的水平脉动风速时程，进而模拟出了脉动风的风压时程和风荷载时程。

通过对各节点的风荷载的比较，可以得出：
1）处于迎风面上各节点的风荷载随着高度的增加其值也在不断的增大，而背风面正好与其相反；将迎风面上各节点与背风面相同高度处的各节点相比较，则背风面的风荷载要比迎风面的风荷载大，变化幅度也交前者大；
2）随着高度的增加，迎风面和背风面风荷载的比值也在逐渐缩小，即迎风面与背风面的荷载越接近
本文得到结构脉动风荷载时程将作为结构的输入荷载，即可对结构进行时域内的动力分析，为大跨门式刚架的风振时程分析提供了参考和输入荷载。

参考文献
[1] 张相庭.结构风压和风振计算[m].上海：同济大学出版社,1985.
[2] 王之宏.风荷载的模拟研究[j].建筑结构学报,1994,15（1）.
[3] 阎石,郑伟.简谐波叠加法模拟风谱[j].沈阳建筑大学学报,vol.21,no.1。