脉动风作用下塔架结构的风振响应分析

    0 引言

    高耸塔架结构的高度与截面之比较大，且平面截面的结对称性较强，其基本自振周期一般较长，因此结构的风效应会比地震作用更为显著，风荷载是引起结构侧向位移和振动的主要因素。 结构上的风荷载主要包括顺风向的平均风和脉动风以及横风向的涡流干扰。平风对于结构的作用相当于静力荷载，而脉动风由于周期接近于高耸塔架结构的自振周期，会在结构的顺风向引起较大振动，即进行风振响应分析，为简化问题，本文暂不考虑横风向的涡流干扰。

    对于脉动风的风速谱，目前比较流行的有Davenport 谱、Kaimal 谱、Simiu 谱等 ，如秦力等[1]用Kaimal 谱进行了风速模拟。 由于 Davenport 谱简单易用，本文利用自回归模型（Auto-Regressive，AR）法针对 Davenport 谱进行了风速模拟 ，并基于规范直接求出风压荷载，从而进行结构动力分析。

    由于风效应对高耸结构的作用很大，国内外对高耸结构的风振响应作了大量研究，欧进萍等[2]对高层结构进行了风振及阻尼控制分析，陈波等[3]对合肥电视塔作了动力特性和[4]对大跨越输电塔线体系进行了风振研究，温德超等[5]也对一80m 的烟囱从其固有频率、风振频率和雷诺数3 方面研究了该烟囱的振动问题 ， 而徐刚等[6]则对施工中大桥桥塔的风致振动极其减振控制进行了研究。近20 年来，随着无线通信，特别是手机通信网络的迅猛发展，建造了大量的通信塔架，但目前对于通信塔架的风振响应研究还很少，本文将对脉动风作用下的通信塔架结构进行风振响应分析，并将以某一通信塔架为例，分析顺风向的脉动风引起的结构振动，将依据相关的建筑结构规范，考虑节点脉动风的空间相关性， 采用 AR 法模拟迎风面各节点的脉动风载时程， 并利用 ANSYS 有限元软件建立结构的有限元模型，分析塔架的动力特性，用时程分析方法计算通信塔架的风振响应。

    1 脉动风速时程模拟

    在时域内对结构进行风振响应分析，首先必须得到结构各节点上的脉动风速时程，目前对平稳或是非平稳、一维或多维、单变量或多变量、高斯性或非高斯性的随机过程的模拟，主要有谐波叠加法[7]和线性滤波法两大类。

    谐波叠加法是采用以离散谱逼近目标随机过程的随机模型，算法简单直观，数学基础严密，适用于任意指定频谱特征的平稳高斯随机过程，但局限于模拟一维平稳过程。 线性滤波法基于线性滤波技术，也即白噪声滤波法 （white noisefiltration method），常用的有 归 AR[8]模 型、 滑 动 平 均（Moving Average，MA）模型和自回归滑动平均（AutoRegressive Moving Average，ARMA）模型等。