一种计算风荷载的方法及其系统与流程

本发明涉及风荷载计算和结构设计领域，具体涉及一种计算风荷载的方法及其系统。
背景技术：
：20世纪30年代，人们采用对称钟形高斯分布来预测极值风速，此方法是基于母体分布的尾部建立了给定样本的最大(或最小)值概率分布的极限模式，与fisher和tippett早期的研究有着较大的区别。三种类型极值分布规律的发现也极大地推动了一般工程概率方法的发展。jenkinson认为，fisher和tippett提出的3种极值分布可以用统一的广义极值分布来表达。gumbel则强烈推荐采用相对简单的极值i型分布来进行相关的分析。20世纪60年代，一些国家采用极值分析方法来预测设计风速，主要采用了极值i型分布，重现期概念也在这一时期提出。a.g.davenport在20世纪60年代将概率统计理论作为现代风荷载的基础上做出了重要的贡献。20世纪70到80年代，采用gumbel拟合方法得到澳大利亚发生的热带气旋和欧洲发生的一系列强风风速远远超出拟合结果，使得以下两个方面的内容显得极为重要：(1)50年内的样本数据一般存在采样误差的影响。(2)根据不同的风暴类型进行数据分类。不同的地区气候条件存在一定的区别，在一年范围内可能会有多次风暴现象出现，沿海地区出现次数可能更为明显。因此，只选取最大风速为样本进行极值分析的方法存在着较大的局限性。如果采用比年更短的周期来增加样本数量，这就可能违背了极值分析种数据的独立统计性。比如，以周期为一天就无法保证极值样本的统计独立性这一重要条件。因此采用单一风速来进行设计存在局限性。风荷载的波动范围大并且发生频率高，地震的破活性更强但是其发生频率较低。总体来看，两者对结构物的破坏能力基本相当。因此，风荷载与地震载荷是对结构物造成损坏的两大主要环境载荷，由此可见风载荷的计算在结构设计中有着重要的地位。风荷载计算作为结构设计中重要的单元，如何合理的确定设计风速，如何根据不同气候条件、地区存在的差异，准确的计算风荷载，以及计算杆塔本身的不同高度处，所在位置高度的风荷载，并根据不同的风荷载对结构物采用不同的材质和结构，是目前需要解决的问题。技术实现要素：为了解决现有技术中采用单一风速来进行设计的局限性，本发明考虑了不同的风速条件，并能得到不同风速条件下重现期与风速的关系，对风荷载计算中确定设计风速提供参考，因此本发明提供了一种计算风荷载的方法及其系统。本发明提供的技术方案是：一种结构计算风荷载的方法，所述方法包括：基于预测风速地区的风速数据确定所述地区的风速类型；基于所述风速类型和风速数据确定极值风速；基于所述极值风速计算任意高度处的风荷载；所述风速类型包括：气候风和台风。优选的，所述基于预测风速地区的风速数据确定风速类型，包括：获取所述预测风速地区的风速数据；基于所述风速数据与所述风速数据对应的当日气象图表进行对比；基于所述对比结果确定所述风速值的风速类型。优选的，所述基于所述极值风速计算风荷载，包括：基于所述极值风速和空气密度计算风压；将所述风压带入风荷载的计算公式得到风荷载。优选的，所述风荷载的计算公式如下：wk＝βz×μs×μz×wo式中，wk为风荷载；βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体系数；μz为风压高度变化系数；wo为风压。优选的，所述基于所述风速类型和风速数据确定极值风速，包括：根据风速类型、风速数据对暴风重现期风速公式的参数进行设定；基于设定好参数的暴风重现期风速公式计算预测期间的风速；从所述风速计算结果中选择极值风速。优选的，所述从所述风速计算结果中选择极值风速，包括：若所述预测地区存在一种风速，则直接从所述风速计算结果中选择极值风速；若所述预测地区存在多种风速，则基于风速数据计算每种风速占比比重，基于所述比重确定风速类型，将所述风速类型对应的风速计算结果作为极值风速。优选的，所述根据风速类型、风速数据对暴风重现期风速公式的参数进行设定，包括：从风速数据中选择风暴数据，并基于所述风暴数据计算风速平均值；基于所述风速平均值确定风暴重现的预测公式的比例因子和形状系数值；其中，所述暴风重现期风速公式的参数：比例因子和形状系数。优选的，所述从风速数据中选择风暴数据，并基于所述风暴数据计算风速平均值，包括：基于所述风速类型设置最小基础风速值；基于所述最小基础风速值和预设的m-1个步长得到m个基础风速值；基于每个基础风速值，从风速数据中选择大于所述基础风速值的风速数据作为所述基础风速值对应的风暴数据，并计算每个风暴数据与所述基础风速的差值，进而根据所有的差值获得所述基础风速对应的风速平均值。优选的，所述基于所述风速平均值确定预先制定的风暴重现的预测公式的比例因子和形状系数值，包括：基于m个基础风速值确定的m组风速平均值绘制曲线图；基于所述曲线图计算曲线的斜率值和截距值；基于所述斜率值和截距值以及含有比例因子的表达式和含有形状系数的表达式，确定比例因子和形状系数值。优选的，所述风暴重现的预测公式如下：vr＝v0+a[1-(nr-b)]/b式中，vr为预测期第r年的风速，r在(1,…,r)范围内；r为风暴预测期；b为形状系数；a为比例因子；v0为最小基础风速值；n为基于最小基础风速值的风暴次数。优选的，所述含有形状系数的表达式如下：式中，b为形状系数。优选的，所述含有比例因子的表达式如下：式中，a为比例因子；b为形状系数。一种基于极值风速计算风荷载的系统，所述系统包括：类型模块：用于基于预测风速地区的风速数据确定所述地区的风速类型；确定模块：用于基于所述风速类型和风速数据确定极值风速；计算模块：用于基于所述极值风速计算风荷载；所述风速类型包括：气候风和台风。优选的，所述类型模块，包括：获取单元、对比单元和确定单元；所述获取单元，用于获取所述预测风速地区的风速数据；所述对比单元，用于基于所述风速数据与所述风速数据对应的当日气象图表进行对比；所述确定单元，用于基于所述对比结果确定所述风速值的风速类型。与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、本发明提供的技术方案，基于预测风速地区的风速数据确定所述地区的风速类型；基于所述风速类型和风速数据确定极值风速；基于所述极值风速计算任意高度处的风荷载；对不同的风速类型进行极值预测，可以较为准确的计算不同地区、不同位置、不同高度的风荷载，能让结构设计更加可靠合理，为结构的材质和构造提出建议，提高了设计的运行寿命。2、本发明提供的技术方案，将不同地区气候条件的差异作为出发点，并能合理的将多种风速情况统一考虑，以便适用于不同的应用环境，能够很好地实现对气候风和台风风速情况下完成极值风速的预测以及气候风和台风风速条件下统一考虑下的预测。附图说明图1为本发明计算风荷载方法结构示意图；图2为本发明的风速与重现期曲线。具体实施方式为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。实施例1：不同的地区气候条件存在一定的区别，在一年范围内可能会有多次风暴现象出现，沿海地区出现次数可能更为明显。因此，只选取最大风速为样本进行极值分析的方法存在着较大的局限性。如果采用比年更短的周期来增加样本数量，这就可能违背了极值分析种数据的独立统计性。比如，以周期为一天就无法保证极值样本的统计独立性这一重要条件。“超越值法”是一种仅采用与极值预测相关的数据的方法。它采用的所有风速都来自于相对独立的风暴，且均高于一个特定的最小临界风速v0，这种风速在一年中可能有多个，也可能一个都没有。这种方法为解决上述的局限性提供了一种新的思路。通过超越值法能够考虑到不同的风速条件，并能得到不同风速条件下重现期与风速的关系。对风荷载计算中确定设计风速提供参考。风荷载为空气流动对工程结构所产生的压力，其大小与风速的平方成正比。如图1所示，步骤如下：步骤一：基于预测风速地区的风速数据确定所述地区的风速类型；步骤二：基于所述风速类型和风速数据确定极值风速；步骤三：基于所述极值风速计算任意高度处的风荷载；具体实施如下：步骤一：基于预测风速地区的风速数据确定所述地区的风速类型；数据筛选。根据数据库当中的风速数据，并分开命名保存。数据来源分类。将上述统计的值与当日气象图表的数据进行核对，确认该风速值由台风或气候风产生，并将两种风速类型情况分类汇总。整合多站点数据。分别统计整理站点的数据，将它们统一整理成气候风和台风两类。风速修正。为排除其他干扰因素的影响，通过风洞试验得出各站点的修正因子，将气候风数据修正至10m处空旷地带的风速。步骤二：基于所述风速类型和风速数据确定极值风速；设置风速基础值。根据本地区的风速情况以及设计要求，设置若干个不同的风速值为基础值，将其分别记为记为v0，v1，v2等。确定最小风速v0和最小风暴发生次数n。参照设计经验，设定一个最小风速v0为每年的超越值，并将此值与所有值进行比较，得到最小风暴次数n。计算风速偏差值和正偏差均值。将不同风暴下的风速与设置的基础值v0进行风速差值计算(v-v0)，选择正的风速偏差值并计算平均值。重复上述步骤。将基础值v0依次替换成v1，v2等，计算对应的风暴次数λ，差值以及正均值。绘制线图。根据以上计算得到的结果，绘制基础值与平均超越次数之间关系的曲线图。确定比例因子a和形状系数b。通过以下公式：重现期为r年的风速vr为：vr＝v0+a[1-(nr)-b]/b(1-2)在式(1-2)中，形状系数b通常是正值(在0.1左右)。当r逐渐增大到很大时，vr的上限则逐渐趋近于v0+(a/b)。b＝0时，代入式(1-2)可得：vr＝v0+aln(nr)(1-3)根据上述公式，可以将相对独立的风暴进行计算和判断，但在公式中不难看到，(1-2)和(1-3)有一定的相似性。为了保证计算的准确性，在设置最大临界风速时，应至少保证10次及以上风速大于最大临界风速。根据上述超越值法的特点，除了能够满足传统的极值风速重现去进行预测之外，还能够根据不同地区风速的特点进行混合风的预测，根据此方法，可以根据地区风速占比比重来确定使用何种极值风速作为设计风速，为不同地区间结构的优化和合理化的设计提供了新的思路。在用于极值风速的预测中，预测过程中均采用相互独立的数据。为了预测的准确性，使用的风速均需修正至10m出空旷地带初风速。使用本发明，能够较为准确的预测出不同风速条件下的极值风速。不同的地区所面临的风速情况也有较大差异，进行结构设计时，仅考虑某一主导作用的风速有可能会造成一些问题。使用本发明，一方面可以将单个极值风速进行准确的预测，另一方面还可将面临的不同风速条件进行综合考虑，为结构设计提供更全面的参考。根据不同地区的设计需求，本发明为结构设计风荷载计算提供了一个较为全面的极值风速预测方法。可以根据不同地区的风速特点，选取单个主要风速作为设计风速，也可将多个风速进行综合考虑作为设计风速。步骤三：基于所述极值风速计算任意高度处的风荷载；所述基于所述极值风速计算风荷载，包括：基于所述极值风速和空气密度计算风压；将所述风压带入风荷载的计算公式得到风荷载。所述风荷载的计算公式如下：wk＝βz×μs×μz×wo式中，wk为风荷载；βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体系数；μz为风压高度变化系数；wo为风压。针对风速环境复杂的大范围设计，可以利用本发明的内容，进行同风速条件下进行梯度化，范围化设计，能够更有效地节约成本。如东南沿海某地区，主要发生的为气候风和台风。可根据设计的需求，在沿海台风波及较大区域采用台风预测极值风速展开设计；而在据台风波及较小处则可采用混合风速完成风载荷计算；更偏远地区则可以以气候风极值风速为依据。实施例2：表1-1沿海地区各站点的数据总结根据上述方法的介绍和设计思路，对中国沿海地区进行本方法的模拟应用。中国沿海地区，靠近北回归线，属于典型的亚热带海洋性季风气候。其气候特点为气温较高并且气候干燥，无严寒，夏少酷暑，水分资源充沛。由于所处地理环境和气候的影响，该地灾害天气频繁，台风等风灾也时常发生。在中国东南沿海地区，最大风速一般会出现在气候风和台风经过两种方式下。自1950年以来，在中国东南沿海地区的4个不同站点独立记录了每天的阵风大小，分别记为站点1,2,3,4。此四个站点的风速计均安置在干扰较小的空旷地带，独立工作。通过多年来的数据显示，风速大于21m/s的台风每个站点发生的比例非常低(平均每年约1次)，见表1-1，此数据说明台风的出现不一定会带来极值阵风。表1-2为东南沿海地区记录的最大风速，由台风产生的占比例一般左右。表1-2中国东南沿海某地区1950-1999年记录的最大风速日期站点风速(m/s)类型1983年1月18日443.2气候风1974年12月20日241.7台风1953年9月9日140.1气候风1988年11月26日339.6台风1984年1月13日338.1台风1978年10月25日437.0台风1961年7月4日136.5气候风1976年3月27日436.0台风1989年11月19日336.0台风1952年7月8日135.0气候风1958年8月12日435.0气候风1987年1月28日435.0台风1994年8月10日335.0气候风下面进行数据的极值分析，其主要的步骤如下所示：(1)数据筛选。根据数据库当中的风速数据，统计数据大于21m/s的风速值并分开命名保存。(2)数据来源分类。将上述统计的值与当日气象图表的数据进行核对，确认该风速值由台风或气候风产生，并将两种风速类型情况分类汇总。(3)整合多站点数据。分别统计整理a,b,c,d四个站点的数据，将它们统一整理成气候风和台风两类。(4)风速修正。为排除其他干扰因素的影响，通过风洞试验得出各站点的修正因子，将气候风数据修正至10m处空旷地带的风速。(5)分析数据。按照汇总所得结果。分析“超越值”，即可得到重现期两种类型风速间的关系。(6)确定公式(1-2)：vr＝v0+a[1-(nr)-b]/b(1-3)其中a——比例因子；b——形状参数；v0——基础值，东南沿海某地区本次选择风速为21m/s；n——整合气候风和台风的数据后每年风速超过v0的阵风所占比例均值。东南沿海某地区两种风的数据分析结果如下：对于气候风，n取23.4，得对于台风，n取0.97，得给定某一极值风速，则能够根据公式得到重现期为r1和r2的不同风况组合下的重现期rc，如下所示：式中(1-6)基于两种不同风况的极值风速相互独立时方能成立。根据公式(1-6)，将公式(1-4)和(1-5)代入可得两种风超越某一给定风速的联合概率，结果如下：结合以上分析和计算的内容，将公式(1-5)，(1-6)和(1-7)绘制图2中。由图2可知，气候风与台风在大致30年重现期处相交；混合风速重现期曲线前期与气候风接近，但是差距逐渐拉大，在长重现期段逐步接近台风，最后差异很小。实施例3：基于同一种发明构思，本发明还提供了一种计算风荷载的系统，其特征在于，所述系统包括：类型模块：用于基于预测风速地区的风速数据确定所述地区的风速类型；确定模块：用于基于所述风速类型和风速数据确定极值风速；计算模块：用于基于所述极值风速计算任意高度处的风荷载；所述风速类型包括：气候风和台风。所述类型模块，包括：获取单元、对比单元和确定单元；所述获取单元，用于获取所述预测风速地区的风速数据；所述对比单元，用于基于所述风速数据与所述风速数据对应的当日气象图表进行对比；所述确定单元，用于基于所述对比结果确定所述风速值的风速类型。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。当前第1页12