POD方法在大跨度屋面风工程中的关键应用与重建预测

POD，即本征正交分解法（Proper Orthogonal Decomposition），是一种在风工程领域广泛应用的频域分析工具，尤其对于大跨度屋面结构的风压场分析具有显著优势。该方法由甘望超、周素华和马魁在武汉理工大学土木工程与建筑学院的研究中探讨，他们针对复杂形状的大跨度空间结构如屋盖，提出了使用POD来处理风荷载及其响应的创新思路。 POD的核心原理是将结构表面的风压场分解为时间依赖的主坐标和空间依赖的协方差矩阵的本征模态线性组合。这种方法的关键在于，只需关注前几阶的本征模态，就能高效地重建和预测风压场，因为这些模态集中了风压场大部分的脉动能量。这使得在处理模态密集、存在耦合效应的结构时，能够简化计算并减少计算量。 文中提到，对于大跨度屋盖结构，风压分布的复杂性使得风荷载和响应成为重要的研究课题。由于结构的横向柔度大、重量轻，风压的空间分布特性与传统的桥梁或高层建筑不同，需要考虑高阶模态和模态之间的相互作用。传统的风洞试验和脉动风压分析通常会遇到背景分量较大的挑战，而POD通过空间-时间分离的方式，有效地解决了这些问题。 国内外学者如Bienkiewicz和Kikuchi已经使用POD技术进行过相关研究，他们分别分析了平顶建筑和高层建筑的风压情况，指出通过少数关键的本征向量即可捕捉到风压的主要特征。在国内，研究者也发展了基于双模态变换的方法，针对不同类型建筑进行了风致振动分析和风荷载预测。 甘望超等人在本文中，通过风洞试验获取的数据，展示了如何运用POD进行风压场的重建和预测，证明了这种方法在大跨度屋面结构风压场分析中的实际有效性。他们还从瑞利商的角度对POD方法进行了深入解析，明确了相关变量的物理意义，进一步增强了这种方法的理论基础。 POD在大跨度屋面结构风工程中的应用体现了其作为高效数据分析工具的强大功能，通过减少计算复杂性，帮助工程师更好地理解和预测此类结构在强风条件下的行为，从而保障结构的安全和适用性。