大跨空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載與風(fēng)響應(yīng)概率性評價結(jié)題摘要

大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)問題具有多荷載形態(tài)、多響應(yīng)振型和多等效目標(biāo)的特點，這種復(fù)雜性導(dǎo)致各種不確定因素對于結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的影響更為顯著。本項目以大跨屋蓋結(jié)構(gòu)為研究對象，從理論、實驗等多方面開展系統(tǒng)的風(fēng)效應(yīng)不確定性研究，提出了基于概率的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計方法。主要工作有： 1、構(gòu)建結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)不確定性研究的理論框架。確定以概率相關(guān)系數(shù)檢驗法和極大似然估計法對結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)各階統(tǒng)計量的概率分布擬合優(yōu)度進(jìn)行定量評價，建立最優(yōu)概率分布模型；以參數(shù)靈敏度分析方法定量評估各種不確定因素對結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)不確定性的貢獻(xiàn)率，獲得不確定性在風(fēng)荷載與風(fēng)振響應(yīng)間的傳遞規(guī)律；采用基于極值理論的估計方法計算具有確定保證率的極值風(fēng)荷載和風(fēng)振響應(yīng)。 2、大跨屋蓋風(fēng)荷載的不確定性分析。對若干典型大跨屋蓋剛性模型進(jìn)行了重復(fù)采樣風(fēng)洞試驗，通過對風(fēng)荷載各階統(tǒng)計量進(jìn)行不確定性分析，建立了相應(yīng)的概率描述模型。研究發(fā)現(xiàn)，正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布是脈動風(fēng)壓前3階統(tǒng)計量的最優(yōu)分布，廣義極值分布是峰度系數(shù)的最優(yōu)分布。還對峰值因子法的荷載保證率進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)峰值因子法無法給出具有一致保證率的極值風(fēng)壓分布，且可能低估最不利負(fù)壓20%~30%左右。 3、空間結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的不確定性分析。應(yīng)用Sobol’方差分解法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)靈敏度分析，定量評估各種不確定因素對風(fēng)振響應(yīng)不確定性的貢獻(xiàn)率，研究發(fā)現(xiàn)：①風(fēng)振響應(yīng)的不確定性主要受風(fēng)荷載不確定性控制；②風(fēng)振響應(yīng)的參數(shù)靈敏度與共振響應(yīng)在總響應(yīng)中的比重有關(guān)，共振響應(yīng)越大，結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載越敏感。 4、提出具有確定保證率的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載分析方法。提出了針對較小容量樣本的概率分析方法-“改進(jìn)獨立風(fēng)暴法”，其基本思路是設(shè)定某一荷載閾值，將連續(xù)超出該閾值的時段記為一個獨立脈沖，將每個獨立脈沖的最大值作為一個極值樣本進(jìn)行概率分析。由于樣本抽取時保證了各脈沖極值的獨立性，且各獨立脈沖的形成機(jī)制具有較好的一致性，因此應(yīng)用這一方法可對較小容量樣本獲得較為精確的概率模型。 5、提出具有確定保證率的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載分析方法。針對大跨屋蓋結(jié)構(gòu)多振型參振、等效目標(biāo)眾多的特點，提出一致等效靜風(fēng)荷載分析方法，其基本思想是：分別建立多目標(biāo)等效方程組和約束方程組，前者的目的是獲得與各等效目標(biāo)吻合程度最好的解，后者的目的是限制某些奇異荷載作用模式的出現(xiàn)，從而解決了多目標(biāo)等效問題，使主體結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載在整體上具有一致的保證率。 2100433B

基于可靠度的抗風(fēng)設(shè)計是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程理論發(fā)展的重要方向，而概率性評價則是構(gòu)建結(jié)構(gòu)抗風(fēng)可靠度理論的前提和基礎(chǔ)。由于大跨空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和風(fēng)效應(yīng)的復(fù)雜性，目前相關(guān)研究工作尚處于空白狀態(tài)。本項目擬采用理論研究、風(fēng)洞試驗和原型實測相結(jié)合的方法，對大跨空間結(jié)構(gòu)的極值風(fēng)荷載和極值風(fēng)振響應(yīng)的概率分析方法及概率分布特征進(jìn)行系統(tǒng)研究，探討各種不確定性因素的生成機(jī)理和傳遞機(jī)制，建立相應(yīng)的概率描述模型，提出適用于主體結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計風(fēng)荷載概率性評價方法，給出具有確定保證率的設(shè)計風(fēng)荷載；在此基礎(chǔ)上，對上述研究成果進(jìn)行集成，構(gòu)建更為完備的大跨空間結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。以上工作為揭示大跨空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)致關(guān)鍵效應(yīng)機(jī)理提供了有效的途徑，為進(jìn)一步構(gòu)建基于可靠度理論的空間結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計方法奠定了堅實的基礎(chǔ)。

雷暴沖擊風(fēng)是短時間內(nèi)沖向地面并沿雷暴中心向外圍迅速擴(kuò)散的高強(qiáng)氣流，其最大風(fēng)速出現(xiàn)在近地面附近，對輸電線塔具有極強(qiáng)的破壞性。目前針對雷暴沖擊風(fēng)下輸電塔風(fēng)荷載和風(fēng)振性能的研究較少，包括我國在內(nèi)的大多數(shù)國家的荷載規(guī)范基本上仍采用常態(tài)大氣邊界層剖面風(fēng)荷載作為設(shè)計荷載，并未體現(xiàn)雷暴沖擊風(fēng)的作用。本項目通過輸電塔氣彈模型風(fēng)洞試驗，在邊界層風(fēng)洞中模擬雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場，采用新的位移測試技術(shù)對輸電線塔雷暴沖擊風(fēng)作用下的風(fēng)振特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究，分析不同類型的輸電塔在沖擊風(fēng)作用下的風(fēng)振響應(yīng)規(guī)律?；谳旊娝鈴椖Ｐ驼w位移響應(yīng)的測量結(jié)果，進(jìn)行氣動阻尼參數(shù)和作用于結(jié)構(gòu)上的氣動荷載識別，研究輸電塔結(jié)構(gòu)氣動阻尼隨風(fēng)速的變化規(guī)律和氣動荷載的分布特征與作用機(jī)理，建立輸電塔結(jié)構(gòu)三維靜力等效風(fēng)荷載的新的試驗分析方法，為輸電塔抗沖擊風(fēng)設(shè)計提供理論依據(jù)和設(shè)計指導(dǎo)。

雷暴沖擊風(fēng)的最大風(fēng)速出現(xiàn)在近地面附近，對輸電線塔具有極強(qiáng)的破壞性。當(dāng)前針對雷暴沖擊風(fēng)下輸電塔風(fēng)荷載和風(fēng)振性能的研究較少，導(dǎo)致輸電塔的風(fēng)毀事故時有發(fā)生。包括我國在內(nèi)的大多數(shù)國家的荷載規(guī)范基本上仍采用常態(tài)大氣邊界層剖面風(fēng)荷載作為設(shè)計荷載，并未體現(xiàn)雷暴沖擊風(fēng)的作用。本項目采用自主開發(fā)的雷暴沖擊風(fēng)模擬裝置，在常規(guī)邊界層風(fēng)洞中實現(xiàn)了雷暴沖擊風(fēng)的模擬?；谳旊娝鈴椖Ｐ惋L(fēng)洞試驗，采用非接觸位移測試技術(shù)對輸電線塔在沖擊風(fēng)場下的風(fēng)振特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究?？偨Y(jié)了不同類型的輸電塔在不同尺度沖擊風(fēng)作用下的風(fēng)振響應(yīng)規(guī)律，并對比分析了常規(guī)風(fēng)場和沖擊風(fēng)場下塔頭、塔高等因素對輸電塔風(fēng)振響應(yīng)的影響?；谳旊娝鈴椖Ｐ臀灰祈憫?yīng)的測量結(jié)果，研究輸電塔氣動荷載的分布特征，類比于荷載響應(yīng)相關(guān)法，建立了輸電塔結(jié)構(gòu)三維靜力等效風(fēng)荷載的新的試驗分析方法。研究結(jié)果表明，沖擊風(fēng)下的輸電塔風(fēng)振響應(yīng)與常規(guī)風(fēng)場下的響應(yīng)并未有明顯區(qū)別，均以一階模態(tài)振動為主。不過，由于沖擊風(fēng)的低湍流度特征導(dǎo)致脈動響應(yīng)偏小。輸電塔風(fēng)振響應(yīng)隨高度和風(fēng)速的增大而增大，同時隨風(fēng)向角變化呈現(xiàn)規(guī)律性的特征，最大風(fēng)振響應(yīng)基本發(fā)生在15o～30o。風(fēng)場和塔高相近的條件下，干字型塔樓的平均和脈動響應(yīng)均高于貓頭型輸電塔。輸電塔的等效靜風(fēng)荷載成分組成說明，對于鏤空的輸電塔結(jié)構(gòu)，其平均荷載占有絕對優(yōu)勢，背景響應(yīng)和共振響應(yīng)占次要地位。 2100433B