大尺度屋蓋圍護結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載作用機理與極值概率模型

本項目在屋蓋圍護結(jié)構(gòu)非高斯風(fēng)壓極值方面開展了研究，取得如下研究成果。基于Hermite矩模型變換理論，建立了單樣本風(fēng)壓時程非高斯峰值因子的理論求解方法，為短時距風(fēng)壓時程樣本估計風(fēng)壓極值提供了理論基礎(chǔ)；提出的多樣本非高斯峰值因子概率分布解析式的適用性，結(jié)果表明，提出的非高斯峰值因子的概率分布解析式適用于估計各種強、弱非高斯風(fēng)壓時程的峰值因子；提出了非高斯峰值因子的簡化計算公式，其理論誤差在工程應(yīng)用的可接受范圍之內(nèi)；探討了平屋蓋圍護構(gòu)件的設(shè)計風(fēng)荷載取值，指出了我國荷載規(guī)范中圍護構(gòu)件風(fēng)荷載取值的不合理之處；進行了L形和T形低矮房屋圍護構(gòu)件風(fēng)壓系數(shù)極值的試驗研究，填補了國內(nèi)外研究空白；主持制訂了行業(yè)標準《屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標準》（報批稿），突破了我國低矮建筑、大跨度建筑屋蓋圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載無據(jù)可依的困境。 2100433B

大尺度空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)致破壞往往發(fā)生在屋蓋圍護構(gòu)件部分，屋蓋圍護構(gòu)件的風(fēng)荷載極值成為圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要荷載之一。本課題采用風(fēng)洞測壓實驗、流動顯示方法探究屋蓋上部錐形渦/柱狀渦的時空演化運動，建立來流-渦運動特征-屋蓋風(fēng)壓之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，利用Hermite矩模型理論和多變量函數(shù)的概率變換，建立多樣本情況下屋蓋風(fēng)壓極值概率分布的顯式表達式以及風(fēng)壓極值的聯(lián)合分布。為了補充、驗證風(fēng)洞測壓實驗結(jié)果，采用Monte Carlo方法模擬屋蓋風(fēng)壓極值的小概率事件，得到極值分布的數(shù)值模擬結(jié)果。在屋蓋風(fēng)壓極值概率分布的研究基礎(chǔ)上，劃分大尺度屋蓋風(fēng)壓分區(qū)，確定屋蓋圍護結(jié)構(gòu)的分區(qū)設(shè)計風(fēng)荷載以及大尺度屋面板風(fēng)荷載的折減系數(shù)。

大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)在風(fēng)的作用下展現(xiàn)出復(fù)雜的空氣動力效應(yīng)，風(fēng)荷載的時頻特性難以用解析的形式表達。結(jié)合大量典型大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)，從頻域角度對屋蓋表面的脈動風(fēng)壓進行了定量化研究，建立了風(fēng)壓譜模型參數(shù)與風(fēng)振響應(yīng)和等效靜風(fēng)荷載的聯(lián)系，提出了一套基于風(fēng)壓譜的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計理論。主要內(nèi)容及成果包括：（1）對五種典型大跨屋蓋（平屋蓋、懸挑屋蓋、柱面屋蓋、球面屋蓋、鞍形屋蓋）的1730組工況18048個樣本的風(fēng)洞測壓數(shù)據(jù)進行頻譜分析，總結(jié)出一種形式統(tǒng)一的風(fēng)壓譜工程模型。（2）探討大跨屋蓋表面風(fēng)荷載分區(qū)原則，在K-means聚類分析方法基礎(chǔ)上建立風(fēng)荷載分區(qū)方法，并通過MATLAB編制風(fēng)荷載分區(qū)程序。（3）提出了“陣風(fēng)響應(yīng)包絡(luò)法”以表達大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的等效靜風(fēng)荷載。對上述五種典型大跨屋蓋的不同的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式，進行了23940組工況的參數(shù)化風(fēng)振響應(yīng)分析，考察了屋蓋幾何特征、來流條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)對背景及共振效應(yīng)系數(shù)的影響。通過統(tǒng)計分析，總結(jié)了典型屋蓋結(jié)構(gòu)等效靜風(fēng)荷載的取值建議。（4）為了能充分利用數(shù)據(jù)庫中的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)，確定了基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進行風(fēng)荷載預(yù)測的基本流程。針對典型的大跨度空間屋蓋形式，分別建立了風(fēng)荷載預(yù)測模型，基于MATLAB搭建了大跨度空間結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載預(yù)測平臺。(5) 在上述研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)并集成為大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計軟件（WRDS）。其中，將風(fēng)壓譜建模作為一種高效的風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)壓縮手段，并將風(fēng)壓譜模型參數(shù)作為數(shù)據(jù)訓(xùn)練及預(yù)測、風(fēng)振響應(yīng)分析、等效靜風(fēng)荷載估計、隨機模擬等功能模塊的重要輸入?yún)?shù)，為大數(shù)據(jù)時代大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的智能化抗風(fēng)設(shè)計發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 2100433B

建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)致災(zāi)害現(xiàn)象時有發(fā)生,但主體結(jié)構(gòu)的風(fēng)毀現(xiàn)象相對少見,主要體現(xiàn)為圍護結(jié)構(gòu)的風(fēng)致破壞。然而，大量實測和風(fēng)洞試驗結(jié)果表明，目前世界上主要國家的風(fēng)荷載規(guī)范以及常用計算方法都可能低估了圍護結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載,且均未基于全概率的思想去分析風(fēng)荷載在建筑全壽命期的失實概率。本課題基于強風(fēng)風(fēng)速和建筑表面風(fēng)壓系數(shù)的方向性和隨機性特征,對建筑圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的概率分布進行了分析,從而給出了給定重現(xiàn)期的風(fēng)荷載估算方法。 本課題的主要研究內(nèi)容主要包括四個方面。（1）基于上海浦東機場風(fēng)工程研究實測基地的足尺建筑模型的實測數(shù)據(jù)和建筑縮尺模型的測壓風(fēng)洞試驗結(jié)果，研究了建筑風(fēng)致內(nèi)壓的變化規(guī)律, 包括建筑表面開洞位置、開洞大小、開洞方式和背景孔隙等多種因素的影響,并深入研究了建筑風(fēng)致內(nèi)壓的風(fēng)洞試驗?zāi)M技術(shù)以及Helmholtz共振問題。（2）基于風(fēng)工程研究實測基地的風(fēng)速及風(fēng)壓實測數(shù)據(jù),結(jié)合縮尺模型測壓風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)，研究了建筑風(fēng)致外壓系數(shù)的特征, 包括風(fēng)向影響,概率分布特征,非高斯性,以及其極值計算方法,建筑表面特征的影響等多個方面。（3）利用風(fēng)工程研究實測基地及上海環(huán)球金融中心大樓頂部風(fēng)速觀測系統(tǒng)的風(fēng)速風(fēng)向觀測數(shù)據(jù)時程,研究了自然風(fēng)的湍流度、功率譜、相關(guān)性等強風(fēng)結(jié)構(gòu)特征。利用從國家氣象部網(wǎng)站（http://cdc.cma.gov.cn/）和國際氣象網(wǎng)站（http://www7.ncdc.noaa.gov/CDO/dataproduct）上收集到的中國各地風(fēng)速風(fēng)向長期觀測數(shù)據(jù)，研究了我國的強風(fēng)風(fēng)速風(fēng)向概率分布及相關(guān)性特性，給出風(fēng)速風(fēng)向概率密度參數(shù)。（4）開發(fā)了建筑圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的全概率評估方法。該方法從概率統(tǒng)計的角度考慮強風(fēng)風(fēng)速和結(jié)構(gòu)風(fēng)壓系數(shù)兩方面參數(shù)的方向性和隨機性,給出的給定重現(xiàn)期圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載在概率統(tǒng)計意義上是準確的。 本課題的研究成果為建筑結(jié)構(gòu)圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載的準確估算提供了方法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 使得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計在保證安全性的同時更加經(jīng)濟合理,使得結(jié)構(gòu)設(shè)計人員對風(fēng)荷載的認識更加深入系統(tǒng)。 2100433B

大跨屋蓋形體多樣，繞流特性復(fù)雜，風(fēng)荷載描述難以統(tǒng)一，這在一定程度上制約了其抗風(fēng)設(shè)計理論的發(fā)展。通過對大量已有風(fēng)荷載數(shù)據(jù)的統(tǒng)計挖掘，提取共性規(guī)律，建立普適風(fēng)荷載模型是解決該問題的有效途徑。而風(fēng)荷載數(shù)據(jù)具有量大、維數(shù)高、格式復(fù)雜等特點，常規(guī)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法難以整理。為此本項目擬引入大數(shù)據(jù)理論，力求在風(fēng)荷載數(shù)據(jù)的挖掘、參數(shù)化建模和風(fēng)荷載預(yù)測等方面有所突破。具體內(nèi)容包括：研究風(fēng)荷載數(shù)據(jù)有效信息篩選及信號降噪、高維數(shù)據(jù)挖掘算法等關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)；對風(fēng)荷載統(tǒng)計量與頻譜的參數(shù)化建模、基于聚類算法的風(fēng)荷載參數(shù)分區(qū)和基于多元統(tǒng)計學(xué)的風(fēng)荷載參數(shù)敏感性分析等問題進行深入研究，提出風(fēng)荷載參數(shù)化模型的統(tǒng)一表達形式；結(jié)合CFD數(shù)值模擬、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測和數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，探討數(shù)據(jù)集成標準，實現(xiàn)風(fēng)荷載數(shù)據(jù)庫拓展升級，建立大跨屋蓋風(fēng)荷載智能預(yù)測系統(tǒng)。希望通過本研究，形成較為完整的大跨屋蓋風(fēng)荷載知識體系，并為工程抗風(fēng)設(shè)計提供有力支撐。