風(fēng)時(shí)程生成程序技術(shù)說明

1、 編寫：陳學(xué)偉 dinochen1983, WindHist說明書目錄1程序原理31.1風(fēng)荷載動(dòng)力分析方法簡介31.2風(fēng)速時(shí)程模擬的AR法41.2.1AR模型41.2.2AR模型模擬風(fēng)速時(shí)程的基本過程51.3風(fēng)時(shí)程生成程序?qū)崿F(xiàn)71.4風(fēng)時(shí)程生成程序特點(diǎn)91.5風(fēng)時(shí)程生成程序局限性說明102參數(shù)說明112.1順向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度函數(shù)112.2脈動(dòng)風(fēng)空間相干函數(shù)132.3地面粗糙系數(shù)k（紊流度）142.4平均風(fēng)速142.5風(fēng)壓力時(shí)程162.6數(shù)值計(jì)算的參數(shù)173操作說明183.1制作空間點(diǎn)信息表格（*.csv）183.2導(dǎo)入表格及輸入?yún)?shù)193.3計(jì)算風(fēng)時(shí)程203.4顯示計(jì)算結(jié)果203.5輸出時(shí)

2、程結(jié)果及分析代碼213.6接力SAP2000進(jìn)行時(shí)程分析213.7接力ETABS進(jìn)行時(shí)程分析223.8SAP2000與ETABS的分析代碼例子233.8.1ETABS分析代碼233.8.2SAP02000分析代碼：244計(jì)算實(shí)例254.1操作步驟254.224層框架風(fēng)振分析結(jié)果分析294.2.1風(fēng)速時(shí)程結(jié)果294.2.2風(fēng)振分析計(jì)算結(jié)果與按現(xiàn)行荷載規(guī)范得出的結(jié)果對(duì)比314.2.3風(fēng)振分析的頂點(diǎn)加速度計(jì)算與按高鋼規(guī)手算結(jié)果對(duì)比325關(guān)于風(fēng)振時(shí)程分析的若干建議345.1分析參數(shù)設(shè)置345.2輸出結(jié)果處理346參考文獻(xiàn)36風(fēng)時(shí)程生成程序WINDHIST PRODUCER V1.0技術(shù)說明書 第 37

3、 頁 共 37 頁 1 程序原理1.1 風(fēng)荷載動(dòng)力分析方法簡介風(fēng)荷載是作用在結(jié)構(gòu)上的重要?jiǎng)恿奢d之一，尤其對(duì)于高層、高聳及大跨結(jié)構(gòu)來說，設(shè)計(jì)中必須考慮風(fēng)荷載的作用。計(jì)算高層、大跨、懸索橋以及塔架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力風(fēng)振相應(yīng)的一個(gè)有效方法是Monte Carlo法。即根據(jù)某些既定的統(tǒng)計(jì)參數(shù)產(chǎn)生一系列的時(shí)程樣本，再對(duì)每個(gè)樣本函數(shù)進(jìn)行線性或非線性的結(jié)構(gòu)分析。通過對(duì)結(jié)構(gòu)不同單元在樣本函數(shù)下的時(shí)程響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算整個(gè)結(jié)構(gòu)是否安全。在結(jié)構(gòu)特定點(diǎn)上的風(fēng)速通常認(rèn)為是穩(wěn)定的隨機(jī)過程，其特性可完全由譜密度函數(shù)確定。目前，通常對(duì)于風(fēng)敏感復(fù)雜結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)分析和風(fēng)振系數(shù)的求解主要有以下4種方法:（1）頻域分析法、（2）時(shí)域

4、分析法、（3）風(fēng)洞試驗(yàn)法、（4）數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)。其中，本程序采用時(shí)域分析法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)荷載的動(dòng)力分析。時(shí)域分析法直接運(yùn)用風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)壓時(shí)程或計(jì)算機(jī)模擬的風(fēng)壓時(shí)程作用于屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程分析。然后通過動(dòng)力計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)從而算得結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)。采用時(shí)域分析法，可以考慮自然風(fēng)的時(shí)間相關(guān)性和結(jié)構(gòu)非線性影響，更精確地反映結(jié)構(gòu)的耦合風(fēng)振情況。由于風(fēng)荷載可分解為平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)，如圖1-1，對(duì)于脈動(dòng)風(fēng)部分，借助經(jīng)驗(yàn)公式給出的各種功率譜函數(shù)，可以從頻域和時(shí)域兩方面來分析。圖1-1 脈動(dòng)風(fēng)速、瞬時(shí)風(fēng)速和平均風(fēng)速的關(guān)系基于線性迭加的頻域分析方法概念清晰、簡便，因此在工程中應(yīng)用廣泛。但不

5、能給出反應(yīng)的相關(guān)函數(shù)、瞬態(tài)反應(yīng)，不能進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)分析，且對(duì)于大跨結(jié)構(gòu)，由于其頻率密集，因此在計(jì)算中應(yīng)取多少階模態(tài)，怎樣補(bǔ)償模態(tài)截?cái)嗟哪芰繐p失，仍是一個(gè)問題。而時(shí)域分析法與之相比較，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為:時(shí)域法能進(jìn)行較精確的非線性分析；響應(yīng)量值如位移、力或加速度的最大值可以直接求出；在缺乏實(shí)測(cè)或試驗(yàn)資料的情況下，各種簡化計(jì)算方法可以與精確的時(shí)域分析方法進(jìn)行比較驗(yàn)證；通過時(shí)域的信息可以獲得幅值域及頻域的信息。因此，研究時(shí)域模型一直是隨機(jī)過程模擬的重要內(nèi)容，時(shí)域模擬就是要通過已知的頻域信息重現(xiàn)時(shí)程樣本。主要的時(shí)域模擬方法有：（1）線性濾波法模擬、（2）諧波疊加法模擬、（3）逆Fourier變換法模擬、（4

6、）小波分析。1.2 風(fēng)速時(shí)程模擬的AR法近年來，線性濾波法中的自回歸（Auto-Regressive，簡稱AR）模型因其計(jì)算量小、速度快，廣泛用于隨機(jī)振動(dòng)和時(shí)間系列分析中。該模型將均值為零的白噪聲隨機(jī)系列通過線性濾波器，使其輸出為具有指定譜特征的平穩(wěn)隨機(jī)過程。本程序采用線性濾波法的自回歸模型計(jì)算。1.2.1 AR模型 任何平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)x(n)都可以看一成由白噪聲w(n)激勵(lì)一個(gè)因果穩(wěn)定的可逆系統(tǒng)H(z)產(chǎn)生的輸出。AR模型將均值為零的白噪聲隨機(jī)系列通過線性濾波器，使其輸出為具有指定譜特征的平穩(wěn)隨機(jī)過程。自回歸(AR)模型的系統(tǒng)函數(shù)H(z)為: （1-1）式中，G為系統(tǒng)增益，可取為1； 為待定參

7、數(shù)。AR模型的系統(tǒng)函數(shù)只有極點(diǎn)沒有零點(diǎn)，故AR模型又稱為全極點(diǎn)模型。模型的階由分母多項(xiàng)式的階p決定。如果在白噪聲w(n)激勵(lì)下的輸出為x(n)，則模型輸入、輸出關(guān)系的時(shí)域表達(dá)式為: （1-2）上式為AR模型的差分方程。 AR模型的一個(gè)重要特性是輸出的自相關(guān)函數(shù)具有遞推特性，這個(gè)遞推關(guān)系便可表示為: （1-3）上式就是AR模型的正則方程，也叫Yule-Walker方程。1.2.2 AR模型模擬風(fēng)速時(shí)程的基本過程 在滿足工程計(jì)算精度要求的前提下，可對(duì)風(fēng)速時(shí)程作以下假定:（1）任意一點(diǎn)處平均風(fēng)速不隨時(shí)間改變；（2）脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程是零均值平穩(wěn)隨機(jī)過程；（3）風(fēng)速時(shí)程間具有空間相關(guān)性，AR法模擬風(fēng)速時(shí)程的

8、基本過程。采用AR法推廣到模擬多維風(fēng)速時(shí)程的技術(shù)，M個(gè)點(diǎn)空間相關(guān)脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程V(x，y，z，t)列向量的AR模型可表示為： （1-4）式中：，為空間第i點(diǎn)坐標(biāo)，i=1，2，M；p為AR模型階數(shù)；是模擬風(fēng)速時(shí)程的時(shí)間步長；為AR模型自回歸系數(shù)矩陣，為階方陣，k=1，p；N(t)為獨(dú)立隨機(jī)過程向量； （1-5）式中，為均值為0、方差為1的正態(tài)分布隨機(jī)過程，i=1，M。隨機(jī)風(fēng)過程的協(xié)方差R與回歸系數(shù)之間的關(guān)系可寫成矩陣形式： （1-6） （1-7） （1-8）式中，矩陣，I為M階單位矩陣；階矩陣，其全部元素為0；階自相關(guān)Toeplitz矩陣，形式如下：其中，階矩陣，i=1，p+1；j=1，p+1；m

9、=0，p。功率譜密度與相關(guān)函數(shù)（協(xié)方差）之間符合維納辛欽（Wiener-Khintchine）公式，即： （1-10）式中，是脈動(dòng)風(fēng)速頻率；在i=j時(shí)為脈動(dòng)風(fēng)速自譜密度函速，在時(shí)脈動(dòng)風(fēng)速互譜密度函數(shù)，可由脈動(dòng)風(fēng)速自譜密度函數(shù)和相關(guān)函數(shù)確定。 （1-11） （1-12） （1-13）式中，可根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2001規(guī)定的當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓值反算出來： （1-14）式（1-11）中的、功率譜可采用Davenport譜、Simiu譜、Hino譜、Kaimal譜、Harris譜等形式。本程序采用采用Davenport譜。求解（1-8）給出的線性方程組，可以得到回歸系數(shù)矩陣。解方程可采用高

10、斯約當(dāng)法，求解結(jié)果穩(wěn)定。隨機(jī)過程N(yùn)(t)對(duì)由式（1-10）確定的進(jìn)行Cholesky分解： （1-15） （1-16） （1-17） （1-18）則可求出N(t)。由式（1-4）可得： （1-19）計(jì)算時(shí)，假定初始時(shí)刻之前的風(fēng)速為0，即時(shí)，。最終的人工風(fēng)速時(shí)程為 （1-20）1.3 風(fēng)時(shí)程生成程序?qū)崿F(xiàn)根據(jù)1.2所述的AR法模擬風(fēng)速時(shí)程的方法，通過面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言Borland Delphi 7.0編制具有前后處理及圖形功能的風(fēng)時(shí)程生成程序WINDHIST PRODUCERv1.0，通過程序可以模擬空間點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程，總風(fēng)速時(shí)程，風(fēng)壓時(shí)程等。程序操作框圖如圖1-2所示，程序總流程圖如圖1-3

11、所示。開始讀入輸入數(shù)據(jù)生成協(xié)方差矩陣R生成矩陣高斯約當(dāng)法求解回歸系數(shù)矩陣求解調(diào)用生成矩陣對(duì)矩陣進(jìn)行Cholesky分解，形成矩陣L生成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)列生成生成空間點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程生成空間點(diǎn)總風(fēng)速時(shí)程輸出結(jié)果結(jié)束圖1-2 程序計(jì)算核心框圖圖1-3 程序?qū)崿F(xiàn)框圖1.4 風(fēng)時(shí)程生成程序特點(diǎn)WINDHIST PRODUCER V1.0是由面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言編制，具有以下特點(diǎn)：1. 對(duì)于基于Matlab程序的二次開發(fā)的AR法風(fēng)時(shí)程生成方法，具有速度快、穩(wěn)定性好及界面友好的特點(diǎn)；2. 對(duì)計(jì)算核心中的計(jì)算參數(shù)可以手動(dòng)調(diào)整，提高對(duì)計(jì)算的控制，如階次、積分計(jì)算，頻率范圍等的控制；3. 實(shí)時(shí)圖形顯示及輸出，有利

12、于觀察生成風(fēng)時(shí)程的特點(diǎn)，計(jì)算并輸出最值及均值；4. 快速文本輸出風(fēng)時(shí)程時(shí)程文本；5. 批量生成多個(gè)風(fēng)速時(shí)程，用于多時(shí)程動(dòng)力分析；6. 支持表格（*.csv）格式的輸入，方便對(duì)空間點(diǎn)信息的修改編輯；7. 生成SAP2000及ETABS的時(shí)程動(dòng)力分析代碼，接力分析軟件時(shí)行批量風(fēng)時(shí)程分析；8. 程序既結(jié)合中國風(fēng)荷載規(guī)范，又適用于一般情況。1.5 風(fēng)時(shí)程生成程序局限性說明1. 本程序沒有考慮氣動(dòng)阻尼，工程師必須判斷被忽略的氣動(dòng)阻尼對(duì)時(shí)程分析結(jié)果的影響。一般情況下忽略氣動(dòng)阻尼是偏于保守的，但對(duì)于懸索橋、斜拉橋一類的大跨度結(jié)構(gòu)，忽略氣動(dòng)阻尼可能導(dǎo)致偏于不安全；2. 暫時(shí)未考慮橫風(fēng)效應(yīng)，將在下一版本予以考慮

13、；3. 特殊結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)應(yīng)由風(fēng)洞試驗(yàn)確定。2 參數(shù)說明2.1 順向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度函數(shù)國內(nèi)外一些學(xué)者采用不同的方法，對(duì)強(qiáng)風(fēng)記錄資料進(jìn)行了研究，得出了各種風(fēng)速譜的公式。第一類風(fēng)速譜是對(duì)強(qiáng)風(fēng)觀測(cè)記錄進(jìn)行相關(guān)的分析，獲得相關(guān)曲線和相關(guān)函數(shù)，再通過超低頻濾波器，直接測(cè)出風(fēng)速的功率譜曲線，擬合出風(fēng)速譜的數(shù)學(xué)表達(dá)式。該方法避免了第一類方法在理論計(jì)算過程中的誤差，所求的風(fēng)速譜公式里意義清晰，明確。風(fēng)壓譜是由風(fēng)速譜與空氣導(dǎo)納函數(shù)之積換算出來的，它們都是風(fēng)速脈動(dòng)頻率n的函數(shù)，脈動(dòng)風(fēng)與相關(guān)函數(shù)，風(fēng)速譜、風(fēng)壓譜、風(fēng)壓譜及其概率分布統(tǒng)計(jì)量之間的關(guān)系，如圖2-1所示。風(fēng)速風(fēng)壓譜Sw(n)風(fēng)壓的概率分布風(fēng)速的頻率分布

14、空氣導(dǎo)納風(fēng)速譜Sv(n)相關(guān)函數(shù)R()低頻濾波風(fēng)速圖2-1 脈動(dòng)風(fēng)與相關(guān)函數(shù)，風(fēng)速譜、風(fēng)壓譜、風(fēng)壓譜及其概率分布統(tǒng)計(jì)量之間的關(guān)系表2-1、兩類風(fēng)速功率譜密度函數(shù)表達(dá)式類別發(fā)表者風(fēng)速譜的數(shù)學(xué)表達(dá)式A類A.G.DavenportHarris西安熱工所ShiotaniB類Emil SimiuHino風(fēng)速譜分別為頻率、圓頻率k表征地面粗糙度的系數(shù)為離地面10m高度處的平均風(fēng)速值y、x高度值、無量綱頻率表2-1中A類風(fēng)速譜的特點(diǎn)為：譜形式與高度無關(guān)，紊流尺度沿高度不變；B類風(fēng)速譜則相反，其特點(diǎn)是：不同高度處風(fēng)速譜形式不同，隨著高度的增加，譜的峰值減小，峰值頻率下降。圖2-2所示為不同脈動(dòng)風(fēng)速譜的比較。D

15、avenport（譯名：達(dá)文波特）根據(jù)世界上不同地點(diǎn)、不同高度測(cè)得到90多次的強(qiáng)風(fēng)記錄，并假定水平陣風(fēng)譜中的湍流積分尺度L沿高度不變，取常數(shù)值1200m，并取脈動(dòng)風(fēng)速譜為不同離地高度實(shí)測(cè)值的平均值，建立了經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)表達(dá)式如表2-1所示。我國規(guī)范及在風(fēng)工程應(yīng)用中一般采用Davenport脈動(dòng)風(fēng)速譜。由圖2-2看出，Davenport譜比其它譜偏大，而譜值偏大的范圍正好是風(fēng)頻率與結(jié)構(gòu)物自振頻率接近的地方，影響較大，故Davenport風(fēng)速譜可能會(huì)高估結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，其結(jié)果可能會(huì)偏于保守，但是在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的設(shè)計(jì)角度而言，卻提高了結(jié)構(gòu)的安全度。圖2-2不同風(fēng)速功率譜曲線對(duì)比圖2.2 脈動(dòng)風(fēng)空間相干函數(shù)當(dāng)結(jié)

16、構(gòu)上一點(diǎn)i的脈動(dòng)動(dòng)風(fēng)壓達(dá)到最大時(shí)，與i點(diǎn)距離為r的j點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓一般不會(huì)同時(shí)達(dá)到最大值，在一定的范圍內(nèi)，離開i點(diǎn)越遠(yuǎn)，脈動(dòng)風(fēng)壓同時(shí)達(dá)到最大值的可能性越小，這種性質(zhì)稱為脈動(dòng)風(fēng)的空間相關(guān)性。程序采用以下相關(guān)系數(shù)公式：在順風(fēng)向，對(duì)于像高層建筑那樣的高度和寬度方向的尺度需同時(shí)考慮的建筑物，一般考慮水平(x，y方向)和豎向（z方向)的相關(guān)，對(duì)此，Davenport提出了指數(shù)形式的經(jīng)驗(yàn)公式： （2-1）式（2-1）中 （2-2）其中，分別是x，y，z三個(gè)方向的空間衰減系數(shù)，Davenport建議取值為其它形式的相關(guān)系數(shù)表達(dá)式，這里不一一列舉。2.3 地面粗糙系數(shù)k（紊流度）根據(jù)我國可靠指標(biāo)的規(guī)定的數(shù)值，我

17、國規(guī)范保證系數(shù)（峰因子）的取值在2.2（保證率在98.61%）左右，并常以帶有保證系數(shù)（峰因子）和脈動(dòng)風(fēng)壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的脈動(dòng)系數(shù)來表達(dá)。如果采用Davenport譜，由于它是由實(shí)測(cè)得來的，因而根據(jù)Davenport譜可以求出脈動(dòng)系數(shù)、紊流度和風(fēng)速根方差之間的關(guān)系式（詳細(xì)推導(dǎo)請(qǐng)參考結(jié)構(gòu)風(fēng)工程 理論.規(guī)范.實(shí)踐）： （2-3） （2-4）參考我國荷載規(guī)范附錄G的風(fēng)荷載說明（第166頁），脈動(dòng)系數(shù)是根據(jù)國內(nèi)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并參考國外規(guī)范資料?。?（2-5）因此，按我國規(guī)范公式推導(dǎo)出地面粗糙系數(shù)k為： （2-6）式中，為地面粗糙度系數(shù)，按荷載規(guī)范由A、B、C、D類地面可得為0.12、0.16、0.22、0.30

18、。按式可得各種地面的地面粗糙系數(shù)k：表2-2 不同類地面的地面粗糙系數(shù)k取值地面粗糙度類別ABCD地面粗糙系數(shù)k0.001290.002150.004640.012912.4 平均風(fēng)速根據(jù)荷載規(guī)范所述，在大氣邊界內(nèi)，風(fēng)速隨離地面高度而增大。當(dāng)氣壓場(chǎng)隨高度不變是，風(fēng)速隨高度增大的規(guī)律，主要取決于地面粗糙度和溫度垂直梯度。通常認(rèn)為在離地面高度為300500m時(shí)，風(fēng)速不再受地面粗糙度的影響，也即達(dá)到所謂“梯度風(fēng)速”，該高度稱之梯度風(fēng)高度。地面粗糙度等級(jí)低的地區(qū)，其梯度高度比等級(jí)高的地區(qū)低。下表是不同地面情況的梯度風(fēng)高度：表2-3 不同類地面的梯度風(fēng)高度（m）取值地面粗糙度類別ABCD梯度風(fēng)高度（m）

19、300350400450根據(jù)地面粗糙度指數(shù)及梯度風(fēng)高度，即可得到出風(fēng)壓高度變化系數(shù)如下： （2-7）由風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系式如式（2-8）得平均風(fēng)速高度變化系數(shù)為公式（2-9）： （2-8） （2-10）算例2-1：結(jié)構(gòu)位于地面粗糙度等級(jí)為C的地區(qū)，基本風(fēng)壓為，位于10m和20m處的空間點(diǎn)的平均風(fēng)速為多少？解：。2.5 風(fēng)壓力時(shí)程通過AR法計(jì)算可得到空間點(diǎn)的模擬總風(fēng)速時(shí)程，按荷載規(guī)范引入空間點(diǎn)的體型系數(shù)可得風(fēng)壓動(dòng)力荷載計(jì)算公式： （2-11）式中，分別為空間點(diǎn)yz受風(fēng)面、xz受風(fēng)壓和xy受風(fēng)面體形系數(shù)，分別為空間點(diǎn)yz受風(fēng)面、xz受風(fēng)面和xy受風(fēng)面的面積。如圖2-3所示。圖2-3 空間點(diǎn)的體型系數(shù)

20、、受風(fēng)面積與風(fēng)壓力的關(guān)系算例2-2：已知空間點(diǎn)i處x方向受風(fēng)面積為，y方向受風(fēng)面積為，z方向沒有受風(fēng)面，x方向風(fēng)荷載作用下，體型系數(shù)為，y方向風(fēng)荷載作用下， 體型系數(shù)為，現(xiàn)風(fēng)荷載角度是與x方向成30°，風(fēng)速為，風(fēng)壓力為多少？解：程序?qū)⒉糠肿鳛轱L(fēng)壓時(shí)程文本輸出，將作為靜力荷載輸入SAP2000或ETABS作用于結(jié)構(gòu)，再將這個(gè)靜力荷載通過時(shí)程放大，實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓力時(shí)程的加載。2.6 數(shù)值計(jì)算的參數(shù)運(yùn)算階次p是AR模型的階次，詳細(xì)請(qǐng)查看1.2.2的說明。計(jì)算時(shí)間步長是風(fēng)速時(shí)程的時(shí)間系列的單位，為了使計(jì)算穩(wěn)定建議取值為0.10.25s。計(jì)算步數(shù)tsteps，風(fēng)時(shí)程總時(shí)間為tsteps，自回歸模型中

21、建議取值不大于3000步。緩沖步數(shù)是在輸入時(shí)程文本時(shí)為了使風(fēng)壓力時(shí)程開始階段不產(chǎn)生荷載的突然施加使結(jié)構(gòu)的加速度產(chǎn)生突變，在施加風(fēng)壓力時(shí)，荷載從零增加到初始風(fēng)壓力時(shí)程荷載的步數(shù)，建議緩沖步數(shù)大于30步。在AR模型計(jì)算時(shí)，產(chǎn)生R矩陣之前必須通過式（1-10）對(duì)自功率譜密度進(jìn)行數(shù)值積分，程序積分方法采用可控的復(fù)化梯形積分公式。其中積分的積分域與積分段數(shù)可供輸入可以控制精度與計(jì)算速度。fa：頻區(qū)始值（單位是Hz）；fb：頻始終值（單位是Hz）；n：復(fù)化梯形積分的分段數(shù)。建議取值為：fa=0.001Hz，fb=10Hz，n=500。積分參數(shù)示意圖如下： 圖2-4 積分參數(shù)示意圖3 操作說明3.1 制作空

22、間點(diǎn)信息表格（*.csv） 打開程序目錄下的sample.xls表格文件，這是個(gè)空間點(diǎn)信息的標(biāo)準(zhǔn)輸入格式如表3-1：表3-1標(biāo)準(zhǔn)空間點(diǎn)信息輸入格式表格NumxyzAxAyxxyxxyyyAzzPnt5400300036361.3001.300545500600036361.3001.300555600900036361.3001.3005657001200036361.3001.3005758001500036361.3001.30058表格表頭的信息內(nèi)容如下：NumSAP2000點(diǎn)號(hào)；ETABS層號(hào)；PntSAP2000點(diǎn)號(hào)；ETABS平面點(diǎn)號(hào)；x，y，z空間點(diǎn)坐標(biāo)，單位是（mm）；Ax，A

23、y，Az空間點(diǎn)三個(gè)方向受風(fēng)面積，單位是（m2）；xxx方向風(fēng)荷載作用下，x方向受風(fēng)壓的體型系數(shù)，（表示風(fēng)壓與風(fēng)速方向一致）；xyy方向風(fēng)荷載作用下，x方向受風(fēng)壓的體型系數(shù)，（表示風(fēng)壓與風(fēng)速方向一致）；yxx方向風(fēng)荷載作用下，y方向受風(fēng)壓的體型系數(shù)，（表示風(fēng)壓與風(fēng)速方向一致）；yyy方向風(fēng)荷載作用下，y方向受風(fēng)壓的體型系數(shù)，（表示風(fēng)壓與風(fēng)速方向一致）；zz方向受風(fēng)壓的體型系數(shù)，表示風(fēng)壓與風(fēng)速方向一致。體型系數(shù)定義請(qǐng)參考圖3-1所示。Csv表格可以通過Microsoft Office Excel來編輯制作后，另存為*.csv文件即可。圖3-1 體型系數(shù)取值示意圖3.2 導(dǎo)入表格及輸入?yún)?shù)圖3-2程

24、序主界面圖圖3-2為程序主界面。分為菜單欄、工具欄、參數(shù)欄、進(jìn)度條、表格和圖形區(qū)。制作好空間點(diǎn)的信息表格后，按工具欄中按鈕，導(dǎo)入CSV表格。導(dǎo)入成功后，表格區(qū)自動(dòng)更新CSV表格。然后在參數(shù)欄輸入計(jì)算參數(shù)、空間相關(guān)性參數(shù)和風(fēng)荷載信息，其中參數(shù)的意義請(qǐng)參加第2部分的參數(shù)說明。其中風(fēng)荷載水平風(fēng)角度是與x方向的順時(shí)針夾角，單位是°。3.3 計(jì)算風(fēng)時(shí)程在檢查輸入信息無誤后，按工具欄中按鈕，程序自動(dòng)批量n個(gè)風(fēng)時(shí)程，在計(jì)算過程中可以通過觀察進(jìn)度條來檢查程序計(jì)算時(shí)度，如圖3-3。圖3-3計(jì)算進(jìn)度顯示3.4 顯示計(jì)算結(jié)果在計(jì)算完成后，選擇參數(shù)欄底部的顯示圖像的選框如圖3-4，可實(shí)時(shí)查看全部風(fēng)時(shí)程的計(jì)算

25、結(jié)果，包括脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程、總風(fēng)速時(shí)程和總風(fēng)壓時(shí)程。圖3-4圖像顯示對(duì)話框圖3-5風(fēng)時(shí)程顯示圖像如圖3-5，圖形顯示區(qū)顯示內(nèi)容是紅色線代碼時(shí)程值，藍(lán)色線是平均值線，左邊軸線上從上往下分別是最大正值，中值，最大負(fù)值或零。藍(lán)線的右邊數(shù)據(jù)是平均值，水平刻度是時(shí)間（單位是sec），縱向刻度是風(fēng)速（單位是m/s）或風(fēng)壓（單位是kN/m2）。點(diǎn)擊可將圖形區(qū)顯示的曲線保存為bmp文件。3.5 輸出時(shí)程結(jié)果及分析代碼在計(jì)算時(shí)程完成后，點(diǎn)擊工具欄中的按鈕，彈出保存文件對(duì)話框，確定文件保存文件夾以后，填寫文件名后，程序自動(dòng)保存全部風(fēng)速時(shí)程，風(fēng)壓時(shí)程，ETABS時(shí)程分析代碼與SAP2000時(shí)程分析代碼在同一文件夾里。文

26、件命名為：etabs.e2kETABS時(shí)程分析代碼sap2000.s2kSAP2000時(shí)程分析代碼VV（a）_b.dat第a批點(diǎn)號(hào)（層號(hào)）為b的風(fēng)速時(shí)程W（a）_b.dat第a批點(diǎn)號(hào)（層號(hào)）為b的風(fēng)壓時(shí)程注：在SAP2000默認(rèn)時(shí)程分析的模態(tài)分析工況取“Modal”工況。3.6 接力SAP2000進(jìn)行時(shí)程分析打開SAP2000軟件。點(diǎn)擊菜單中的File/Imporr/sap2000 v8/v9/v10.s2k Text File。彈出對(duì)話框如圖3-6所示。圖3-6 SAP2000導(dǎo)入對(duì)話框選擇Add to existing model這一項(xiàng)，選擇3.5步導(dǎo)出的sap2000.s2k文件即可。導(dǎo)

27、入成功后便可以在sap2000下進(jìn)行結(jié)構(gòu)批量風(fēng)振時(shí)程分析。3.7 接力ETABS進(jìn)行時(shí)程分析1 打開ETABS軟件；2 點(diǎn)擊菜單中的File/Export/Save model as Etabs.e2k Text file，成功導(dǎo)出未加風(fēng)時(shí)程的ETABS的e2k文本文件；3 打開輸出的e2k文本文件，在文件中找到代碼如下：$ LOG STARTCOMMENTS 4 這代碼前，空白處粘貼風(fēng)時(shí)程輸出的ETABS.e2k的全部代碼進(jìn)去，保存文件退出；5 點(diǎn)擊菜單中的File/Import/Etabs.e2k Text file，把修改后的e2k文件導(dǎo)入ETABS，檢查模型無誤后可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的批量風(fēng)振

28、時(shí)程分析。3.8 SAP2000與ETABS的分析代碼例子$ FUNCTIONSFUNCTION "W(1)54" FUNCTYPE "HISTORY" FILE "D:風(fēng)速時(shí)程研究_0314hahaW_(1)54.dat" DATATYPE "EQUAL" DT 0.10FUNCTION "W(1)54" POINTSPERLINE 1 FORMAT "FREE"FUNCTION "W(1)55" FUNCTYPE "HISTORY"

29、 FILE "D:風(fēng)速時(shí)程研究_0314hahaW_(1)55.dat" DATATYPE "EQUAL" DT 0.10FUNCTION "W(1)55" POINTSPERLINE 1 FORMAT "FREE"FUNCTION "W(1)56" FUNCTYPE "HISTORY" FILE "D:風(fēng)速時(shí)程研究_0314hahaW_(1)56.dat" DATATYPE "EQUAL" DT 0.10FUNCTION "

30、W(1)56" POINTSPERLINE 1 FORMAT "FREE"FUNCTION "W(1)57" FUNCTYPE "HISTORY" FILE "D:風(fēng)速時(shí)程研究_0314hahaW_(1)57.dat" DATATYPE "EQUAL" DT 0.10FUNCTION "W(1)57" POINTSPERLINE 1 FORMAT "FREE"FUNCTION "W(1)58" FUNCTYPE "H

31、ISTORY" FILE "D:風(fēng)速時(shí)程研究_0314hahaW_(1)58.dat" DATATYPE "EQUAL" DT 0.10FUNCTION "W(1)58" POINTSPERLINE 1 FORMAT "FREE"FUNCTION "W(1)59" FUNCTYPE "HISTORY" FILE "D:風(fēng)速時(shí)程研究_0314hahaW_(1)59.dat" DATATYPE "EQUAL" DT 0.10FUN

32、CTION "W(1)59" POINTSPERLINE 1 FORMAT "FREE"$ STATIC LOADS LOADCASE "F54" TYPE "OTHER" SELFWEIGHT 0 LOADCASE "F55" TYPE "OTHER" SELFWEIGHT 0 LOADCASE "F56" TYPE "OTHER" SELFWEIGHT 0 LOADCASE "F57" TYPE "OT

33、HER" SELFWEIGHT 0 LOADCASE "F58" TYPE "OTHER" SELFWEIGHT 0 LOADCASE "F59" TYPE "OTHER" SELFWEIGHT 0$ POINT OBJECT LOADS POINTLOAD "54" "STORY54" TYPE "FORCE" LC "F54" FX 46.8000 FY 0.0000 FZ 0.0000 POINTLOAD "5

34、5" "STORY55" TYPE "FORCE" LC "F55" FX 46.8000 FY 0.0000 FZ 0.0000 POINTLOAD "56" "STORY56" TYPE "FORCE" LC "F56" FX 46.8000 FY 0.0000 FZ 0.0000 POINTLOAD "57" "STORY57" TYPE "FORCE" LC "F57&

35、quot; FX 46.8000 FY 0.0000 FZ 0.0000 POINTLOAD "58" "STORY58" TYPE "FORCE" LC "F58" FX 46.8000 FY 0.0000 FZ 0.0000 POINTLOAD "59" "STORY59" TYPE "FORCE" LC "F59" FX 46.8000 FY 0.0000 FZ 0.0000$ TIME HISTORY CASES THCASE

36、"WIND_HIST(1)" TYPE "LINEAR" NSTEPS 1024 DTOUT 0.10 DAMP 0 THCASE "WIND_HIST(1)" RFTOL .00001 RETOL .00001 MAXITER 100 MINITER 2 CONVFACT 1 THCASE "WIND_HIST(1)" LOAD "F54" FUNC "W(1)54" SF 1 THCASE "WIND_HIST(1)" LOAD "F55&q

37、uot; FUNC "W(1)55" SF 1 THCASE "WIND_HIST(1)" LOAD "F56" FUNC "W(1)56" SF 1 THCASE "WIND_HIST(1)" LOAD "F57" FUNC "W(1)57" SF 1 THCASE "WIND_HIST(1)" LOAD "F58" FUNC "W(1)58" SF 1 THCASE "WIND_HI

38、ST(1)" LOAD "F59" FUNC "W(1)59" SF 1 3.8.1 ETABS分析代碼3.8.2 SAP02000分析代碼TABLE: "PROGRAM CONTROL" ProgramName=SAP2000 Version=10.0.7 ProgLevel="Advanced I" LicenseOS=Yes LicenseSC=Yes LicenseBR=Yes LicenseHT=No CurrUnits="KN, m, C" SteelCode="

39、Indian IS:800-1998" ConcCode="Indian IS 456-2000" AlumCode="AA-ASD 2000" _ ColdCode=AISI-ASD96 StiffCase=NoneTABLE: "FUNCTION - TIME HISTORY - FROM FILE" Name=W(1)54 Time=0.00 Value=0.000000 HeaderLines=0 PrefixChars=0 PtsPerLine=1 DataType="Equal Interval&quo

40、t; FormatType=Free Interval=0.10 FileName="D:風(fēng)速時(shí)程研究_0314hahaW(1)_54.dat" Name=W(1)55 Time=0.00 Value=0.000000 HeaderLines=0 PrefixChars=0 PtsPerLine=1 DataType="Equal Interval" FormatType=Free Interval=0.10 FileName="D:風(fēng)速時(shí)程研究_0314hahaW(1)_55.dat" Name=W(1)56 Time=0.00 V

41、alue=0.000000 HeaderLines=0 PrefixChars=0 PtsPerLine=1 DataType="Equal Interval" FormatType=Free Interval=0.10 FileName="D:風(fēng)速時(shí)程研究_0314hahaW(1)_56.dat" Name=W(1)57 Time=0.00 Value=0.000000 HeaderLines=0 PrefixChars=0 PtsPerLine=1 DataType="Equal Interval" FormatType=Free

42、 Interval=0.10 FileName="D:風(fēng)速時(shí)程研究_0314hahaW(1)_57.dat" Name=W(1)58 Time=0.00 Value=0.000000 HeaderLines=0 PrefixChars=0 PtsPerLine=1 DataType="Equal Interval" FormatType=Free Interval=0.10 FileName="D:風(fēng)速時(shí)程研究_0314hahaW(1)_58.dat" Name=W(1)59 Time=0.00 Value=0.000000 Head

43、erLines=0 PrefixChars=0 PtsPerLine=1 DataType="Equal Interval" FormatType=Free Interval=0.10 FileName="D:風(fēng)速時(shí)程研究_0314hahaW(1)_59.dat"TABLE: "LOAD CASE DEFINITIONS" LoadCase=F54 DesignType=Other SelfWtMult=0 LoadCase=F55 DesignType=Other SelfWtMult=0 LoadCase=F56 DesignTy

44、pe=Other SelfWtMult=0 LoadCase=F57 DesignType=Other SelfWtMult=0 LoadCase=F58 DesignType=Other SelfWtMult=0 LoadCase=F59 DesignType=Other SelfWtMult=0TABLE: "JOINT LOADS - FORCE" Joint=54 LoadCase=F54 CoordSys=GLOBAL F1=46.8000 F2=0.0000 F3=0.0000 M1=0 M2=0 M3=0 Joint=55 LoadCase=F55 Coord

45、Sys=GLOBAL F1=46.8000 F2=0.0000 F3=0.0000 M1=0 M2=0 M3=0 Joint=56 LoadCase=F56 CoordSys=GLOBAL F1=46.8000 F2=0.0000 F3=0.0000 M1=0 M2=0 M3=0 Joint=57 LoadCase=F57 CoordSys=GLOBAL F1=46.8000 F2=0.0000 F3=0.0000 M1=0 M2=0 M3=0 Joint=58 LoadCase=F58 CoordSys=GLOBAL F1=46.8000 F2=0.0000 F3=0.0000 M1=0 M

46、2=0 M3=0 Joint=59 LoadCase=F59 CoordSys=GLOBAL F1=46.8000 F2=0.0000 F3=0.0000 M1=0 M2=0 M3=0TABLE: "ANALYSIS CASE DEFINITIONS" Case=WIND_HIST(1) Type=LinModHist InitialCond=Zero ModalCase=MODAL RunCase=YesTABLE: "CASE - MODAL HISTORY 1 - GENERAL" Case=WIND_HIST(1) HistoryType=Tra

47、nsient OutSteps=1024 StepSize=0.10 DampingType=Constant ConstDamp=.05 TABLE: "CASE - MODAL HISTORY 2 - LOAD ASSIGNMENTS" Case=WIND_HIST(1) LoadType=LoadPattern LoadName=F54 Function=W(1)54 LoadSF=1 TimeFactor=1 ArrivalTime=0 Case=WIND_HIST(1) LoadType=LoadPattern LoadName=F59 Function=W(1)

48、59 LoadSF=1 TimeFactor=1 ArrivalTime=0 Case=WIND_HIST(1) Type=LinModHist InitialCond=Zero ModalCase=MODAL RunCase=Yes END TABLE DATA 4 計(jì)算實(shí)例下面以如圖4-1所示的24層框架為實(shí)例，介紹用WINDHIST PRODUCER與SAP2000、ETABS分析結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)。詳細(xì)參數(shù)如表4-1所示。圖4-1 24層框架結(jié)構(gòu)平面布置圖表4-1 24層框架結(jié)構(gòu)各種參數(shù)層數(shù)24樓板SLAB100層高3000柱截面C800X800跨長6000梁截面B300X800梁截面B3

49、00X800恒載3.0kN/m2混凝土材料C30活載3.5kN/m24.1 操作步驟1 打開SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)的建模及恒活載的施加，完成建模后的截圖如圖4-2所示。圖4-2 結(jié)構(gòu)未加風(fēng)時(shí)程的模型2 點(diǎn)選每層加載點(diǎn)，模型取中心點(diǎn)為加載點(diǎn)，選取后按Ctrl+C，復(fù)制結(jié)點(diǎn)到新建的Excel表格，會(huì)得到如下圖所示的信息。圖4-3 粘貼到Excel表的sap2000空間點(diǎn)的信息3 參考3.1所述的方法編輯如圖4-3的Excel表格，得到空間點(diǎn)信息輸入表格形式，在這個(gè)過程中需要計(jì)算空間點(diǎn)的受風(fēng)面，輸入查閱規(guī)范或參考風(fēng)洞試驗(yàn)得到的體型系數(shù)。通過Excel的計(jì)算與編輯，輸出*.csv文件，如下表所示。表4

50、-2 空間點(diǎn)信息輸入表格NumxyzAxAyxxyxxyyyAzzPnt30200300072721.3001.30030230300600072721.3001.30030330400900072721.3001.300304305001200072721.3001.300305306001500072721.3001.300306307001800072721.3001.300307308002100072721.3001.300308309002400072721.3001.300309310002700072721.3001.300310324006900072721.3001.300

51、324325007200036361.3001.3003254 打開WINDHIST PRODUCER V1.0程序，按第3部分的操作說明所示，計(jì)算風(fēng)時(shí)程。計(jì)算風(fēng)時(shí)程的相關(guān)參數(shù)如下表所示，其它按默認(rèn)。表4-3 風(fēng)時(shí)程生成計(jì)算的相關(guān)參數(shù)批數(shù)10基本風(fēng)壓0.5kN/m2階數(shù)4地面分類C類步長0.1s計(jì)算步數(shù)1024頻區(qū)終值5Hz緩沖步數(shù)1005 點(diǎn)擊工具欄的計(jì)算時(shí)程按鈕，計(jì)算完成后，程序自動(dòng)繪制風(fēng)時(shí)程曲線如下圖。圖4-4計(jì)算完成時(shí)程序的截圖6 計(jì)算完成后，導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果與SAP2000的分析代碼，點(diǎn)擊工具欄中的導(dǎo)出文本，程序自動(dòng)生成SAP2000和ETABS的分析代碼。創(chuàng)建目錄如名為“windhis

52、t”，將計(jì)算結(jié)果存放于文件夾里。7 打開SAP2000的計(jì)算模型，按3.6所述方法導(dǎo)入SAP2000的時(shí)程分析代碼，注意需選擇Add to existing model這一項(xiàng)。導(dǎo)入完成后，彈出如圖4-5對(duì)話框表示導(dǎo)入成功。圖4-5 SAP2000導(dǎo)入報(bào)告對(duì)話框8 打開SAP2000的計(jì)算模型，按3.6所述方法導(dǎo)入sap2000的時(shí)程分析代碼，注意需選擇Add to existing model這一項(xiàng)。導(dǎo)入完成后，彈出如圖4-5對(duì)話框表示導(dǎo)入成功。注：在導(dǎo)入時(shí)程分析代碼前，將單位制設(shè)為kN-m-C。9 檢查SAP2000的導(dǎo)入情況，如靜力F，時(shí)程W，時(shí)程分析工況WINDHIST等等。檢查無誤后，進(jìn)行SAP2000的風(fēng)振時(shí)程運(yùn)算。4.2 24層框架風(fēng)振分析結(jié)果分析4.2.1 風(fēng)速時(shí)程結(jié)果抽樣取出第1批結(jié)果中，空間點(diǎn)305，312，325的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程作Matlab的PSD功率譜密度轉(zhuǎn)化進(jìn)行與目標(biāo)譜的對(duì)比?？臻g點(diǎn)305，312，325的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程圖如下：圖4-6 空間點(diǎn)305脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程