上海交通大学硕士学位论文大跨度空间网格结构的风模拟与及其小波分析姓名：吴筑海申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：周岱20040101摘 要 大跨度空间网格结构由于其灵活多变的建筑形态在各类公共设施中被广泛采用此类结构的风荷载具有随机性与空间相关性的特点为了研究这类结构在风作用下的动力响应特性需要模拟三维空间中的随机风场 本文结合谐波叠加法与快速傅里叶变换FFT使得采用谐波叠加法模拟大量空间节点上的风速时程变得更加容易并实现了模拟节点上的三维风速时程为了提高模型的计算效率将空间结构所在的风场假定为均匀风场这样就可以将其谱函数分割为频率谱函数与空间相干函数两部分 将所得的谱函数作为叠加系数模拟空间结构的相干风速这样就避免了大量的矩阵计算这样的模拟风场符合大跨度空间结构的特性 且风速统计特性分析以及功率谱分析也都表明了其与目标值具有良好的符合度 小波分析Wavelet Analysis作为一种新兴的理论是数学发展史上的重要成果 对于风工程中的风速时程来说小波使时频分析不仅更为精准同时可以使分析范围缩小到有限的时间区域 而不像原先一样只能对整个时间域上的信号作频谱分析 本文从分解后的小波系数来描述风速信号在时间与频率两个标准上的特性明确的表示出在不同时域上各个频率分量的构成同时将信号在时域和频域上进行分解重构 利用重构后的信号衡量所得的风速时程是否具有良好的稳定特性并以小波分析考察其统计特性 由于小波分解可选择的可能性太多本文采用最大熵值法保证对风速时程的分析同时在时域和频域上取得最好的效果使损失的信息较少同时效率也较高 在时频分析中本文还以小波为基础对模拟的风速时程进行了扩展与能量分析求出信号在不同频段的能量密度函数值随着使用不同分辨率的使用还可以得到越来越精细的频段分割同时大跨度空间结构在风作用下的响应与它所吸收的风能量有关 得到详细的能量分布图也方便了比较结构响应与风荷载激励之间的比例分析结构的风振特性 关键词大跨度空间网格结构风速时程谐波叠加法时频分析小波分析 ABASTRACT Due to their various shape, long-span reticulated grid structure are widely used in public works . Wind load , which is applied on such structures, is random and space-correlated. The three-dimensions space wind field deserved concerned for the research about these structures dynamical response. This paper combined the Fast Fourier Transformation (FFT) and wave superposition method which makes it more easier that to accomplish wind velocity simulation on a mass of space nodes and realize the three-dimensions wind simulation. In order to improve the calculating efficiency of the model, this paper presume the wind field where the space structure locates is homogeneous. Thus, the winds Power Spectral Density (PSD) can be divided into point spectral function and coherency function. This method avoids mass of matrix calculation. In that way, the simulated wind field conform with the long-span space structures relevant wind velocity traits while the simulated statistic and PSD also conform with target well. Wavelet Analysis as a new theory is an important outcome of the development of mathematics in history. For the wind velocity, wavelet analysis makes wind time-frequency analysis not only accurate but also at focusing on a limited range of time field, unlike Fourier transformation can only analyze the signals frequencies in the whole time field. This paper will describe the wind velocitys characters on time and frequency with decomposed wavelet coefficient which present the frequency element during different period and reconstruct them in the same time. The reconstructed signal can be used in scaling the wind velocities stability. This paper also analysis the winds statistic with wavelet. Due to the abundant possibility in wavelet decompose, this article use the Maxim Entropy Method (MEM) to ensure the best effect which the wind analysis can reach in frequency field and time field and make the least information loss with high efficiency. Among the time-frequency analysis, this article extends simulated wind velocity and decomposes its energy based on wavelet analysis to gain the Power Density in different frequency, which can reach more and more particularity frequency partition under different resolution. Because how the space structure responds to the wind and how much energy did it absorbs has a relation, a detailed power density can be much more convenience on comparing structures response with the wind load input and analyzing the structures character under wind. KEY WORDS:long-span grid structure, wind simulation, wave superposition method, time-frequency analysis, wavelet analysis 1 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：吴筑海 日期： 2004 年 2 月 20 日 2 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：吴筑海 指导教师签名：周岱 日期：2004 年 2 月 20 日 日期： 2004 年 2 月 20 日 大跨度空间网格结构的风模拟与小波分析 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪论 1. 1 课题背景 近年来对这种大跨结构的抗风性能研究已成为空间结构研究的重要领域之一悬索结构薄膜结构的风激动力反应是典型的随机振动问题然而目前用来作非线性结构随机振动分析的 FPK 法统计线性化法 摄动法,由于计算机速度容量等的限制,很难将其应用于对大型多自由度悬索结构薄膜结构的随机风振反应的求解 而在时域内对这类结构的风振反应进行求解却不失为一种较有效的方法这种方法基于风速随机过程假定首先需要或的符合一定统计特性的风速随机过程并对随机风速进行时频分析 1. 2 大跨度空间网格结构发展简介 随着建筑技术的发展与提高,人们需要具备更大自由空间及最小内支撑相互干扰的结构,如大型集会场所体育馆飞机库会展中心游泳池餐厅候车厅工业厂房等而一般的平面结构如梁刚架桁架拱组合结构等由于结构形式的限制从技术经济方面讲已很难跨越更大的空间,来满足飞速发展的社会需求而具有三维空间形状并且有三维受力特性呈空间工作状态的空间结构正好能满足大跨度建筑结构的要求这是因为空间结构不仅仅依赖材料性能而且更加充分利用自已合理的形体及不同材料特性来适应不同建筑造型和功能的需要,从而可跨越更大空间尤其近年来计算机技术的飞速发展,使空间结构在形体研究的计算方法上有了新的突破,使形体与受力完美组合成为可能因此,空间结构对于现代建筑已产生重大影响,它不但被公认为社会文明的象征,而且由于采用了大量新材料新技术和新工艺,空间结构还成为衡量一个国家建筑科学技术水平的标志之一 大跨度空间结构是一种以曲面为主要形式的结构体系包括网格结构与膜结构等形式其中网格结构使用最为普遍它的灵感来源于工程师使用铁钢材铝合金等轻质高强材料出现及应用设计穹顶结构的杆件形式穹顶结构之父大跨度空间网格结构的风模拟与小波分析 第一章 绪论 - 2 - 德国工程师施威德勒在薄壳穹顶的基础上提出了一种新的构造型式,即把穹顶壳面划分为经向的肋和纬向的水平环线,并连接在一起,而且在每个梯形网格内再用斜杆分成两个或四个三角形,这样穹顶表面的内力分布会更加均匀,结构自身重量也会进一步降低,从而可跨越更大空间这样的穹顶结构实际上已是真正的网壳结构,即沿某种曲面有规律的