基于概率的建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載效應(yīng)評(píng)估及抗風(fēng)可靠性研究.pdf

1、風(fēng)是一種具有強(qiáng)烈空間和時(shí)間隨機(jī)性的自然現(xiàn)象。為了確保建筑結(jié)構(gòu)在隨機(jī)風(fēng)條件下的安全和正常使用，建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)可靠性研究是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域內(nèi)一直備受關(guān)注的課題。經(jīng)過(guò)多年的研究，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域在深入分析自然風(fēng)特性、合理刻畫(huà)風(fēng)與結(jié)構(gòu)相互作用及精確求解建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)等方面取得了一系列的研究成果，但世界范圍內(nèi)因強(qiáng)風(fēng)引起的建筑結(jié)構(gòu)破壞以及由此造成的大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失卻仍舊不斷發(fā)生。這些慘重的風(fēng)災(zāi)事件不斷提醒著風(fēng)工程領(lǐng)域的研究人員，建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究仍

2、舊任重而道遠(yuǎn)。風(fēng)工程奠基人之一達(dá)文波特2002年在《Past，present and future of wind engineering》一文中專門(mén)提及，抗風(fēng)可靠性研究是風(fēng)工程領(lǐng)域一個(gè)重要發(fā)展方向?；谝陨峡紤]，本博士論文的研究課題定為建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)可靠性研究。
　　如前所述，風(fēng)是一種隨機(jī)性極強(qiáng)的自然現(xiàn)象。當(dāng)建筑處在這種隨機(jī)環(huán)境中，風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用以及由此產(chǎn)生的表面風(fēng)壓和建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)等風(fēng)效應(yīng)均具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性。如何合理考慮這

3、些隨機(jī)性是提高建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)可靠性的核心任務(wù)之一。建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)可靠性的研究主要包括以下三方面內(nèi)容:1）風(fēng)環(huán)境的隨機(jī)性:主要包括平均風(fēng)速隨機(jī)性和方向性及平均風(fēng)剖面、隨機(jī)湍流場(chǎng)的空間和時(shí)間相關(guān)性及功率譜等;風(fēng)環(huán)境隨機(jī)性的處理，包括平均風(fēng)速和風(fēng)向的隨機(jī)性、平均風(fēng)速剖面和紊流場(chǎng)在物理或者數(shù)值風(fēng)洞中的模擬;2）給定平均風(fēng)速剖面和紊流場(chǎng)條件下風(fēng)與結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)的不確定性:包括平均風(fēng)速剖面和紊流場(chǎng)模擬的不確定性、氣動(dòng)力系數(shù)的隨機(jī)性等;3）綜合考慮平均風(fēng)

4、速和氣動(dòng)力系數(shù)的隨機(jī)性和方向性，建立一個(gè)以概率為基礎(chǔ)的理論框架評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗風(fēng)可靠性。
　　本論文即是在以上三個(gè)方面分別展開(kāi)研究工作。論文框架安排如下:
　　第一章為論文選題的初衷和研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題;
　　第二章研究了物理風(fēng)洞試驗(yàn)中平均風(fēng)剖面和紊流場(chǎng)模擬的不確定性問(wèn)題。物理風(fēng)洞試驗(yàn)是現(xiàn)階段預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的常用手段，但風(fēng)洞試驗(yàn)中模擬出來(lái)的風(fēng)環(huán)境和真實(shí)風(fēng)環(huán)境之間可能存在差異。產(chǎn)生這種差異的原因，一方面是

5、因?yàn)閷?duì)真實(shí)風(fēng)環(huán)境的特征存在一定的認(rèn)識(shí)不確定性，且不同的人對(duì)同一風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬時(shí)也可能產(chǎn)生差異;另一方面，受限于現(xiàn)有被動(dòng)式風(fēng)洞的尺寸限制，風(fēng)洞試驗(yàn)中模擬出來(lái)的紊流場(chǎng)自譜低頻成份通常比實(shí)際偏少。為了研究風(fēng)環(huán)境模擬不確定性帶來(lái)的影響，以一鞍型屋蓋為例研究了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中不同風(fēng)環(huán)境條件下的屋蓋表面風(fēng)壓特征，調(diào)查了平均風(fēng)剖面、湍流度和湍流積分尺度剖面以及來(lái)流中低頻能量缺失對(duì)屋蓋風(fēng)壓的影響，提出了采用擬定常理論對(duì)由于低頻能量缺失引起的脈動(dòng)風(fēng)壓的降低進(jìn)行

6、補(bǔ)償。
　　第三章提出了氣動(dòng)力系數(shù)極值概率分布估計(jì)新方法，基于第二章得到的氣動(dòng)力系數(shù)隨機(jī)過(guò)程驗(yàn)證了該方法的有效性。在實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)中，出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，對(duì)結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力系數(shù)即建筑表面風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程通常不會(huì)采樣太長(zhǎng);此外，建筑表面風(fēng)壓隨機(jī)過(guò)程通常具有強(qiáng)烈的非高斯特性，而短時(shí)距條件下非高斯隨機(jī)過(guò)程極值概率分布的求解理論上難度較大。因此研究短時(shí)程條件下非高斯風(fēng)壓隨機(jī)過(guò)程的極值概率分布具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。在以往的研究中，通常采

7、用基于三階矩和四階矩的埃爾米特多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換過(guò)程法求解該問(wèn)題。但遺憾的是，實(shí)際計(jì)算中還存在一些非高斯過(guò)程無(wú)法使用該方法或者計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。在充分研究了三階矩和四階矩對(duì)尾部極值估計(jì)的影響后，本文分別基于概率分布的左尾和右尾數(shù)據(jù)提出了兩套新的前四階矩，建立了短時(shí)程條件下基于新矩的埃爾米特多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換過(guò)程法。
　　第四章提出了估計(jì)第三章氣動(dòng)力系數(shù)極值概率分布抽樣誤差的解析表達(dá)式。不同時(shí)程樣本長(zhǎng)度得到的三階矩（偏斜）和四階矩（峰態(tài)）具有一定的

8、隨機(jī)性——即偏斜和峰態(tài)的抽樣誤差，從而基于矩的埃爾米特多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換過(guò)程法求解的非高斯隨機(jī)過(guò)程極值也存在抽樣誤差?，F(xiàn)階段關(guān)于基于矩的埃爾米特多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換過(guò)程法的抽樣誤差尚無(wú)理論解，隨之而來(lái)，風(fēng)洞試驗(yàn)中的氣動(dòng)力系數(shù)采樣時(shí)長(zhǎng)的確定亦無(wú)理論依據(jù)。本文給出了相關(guān)隨機(jī)過(guò)程的偏斜和峰態(tài)的抽樣誤差的理論計(jì)算公式，基于“一次二階矩”理論進(jìn)一步給出了基于矩的埃爾米特多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換過(guò)程法的抽樣誤差，從而為風(fēng)洞試驗(yàn)中的氣動(dòng)力系數(shù)采樣時(shí)長(zhǎng)的確定奠定了理論依據(jù)。
　

9、　第五章基于概率建立了綜合考慮平均風(fēng)速和氣動(dòng)力系數(shù)的隨機(jī)性和方向性以及不同極限狀態(tài)之間相關(guān)性的理論框架，以一鞍型屋蓋圍護(hù)結(jié)構(gòu)為例，評(píng)估了建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)可靠性。基于該理論框架，全面分析了不同建筑朝向時(shí)不同結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載效應(yīng)成份的方向性特征，研究了美國(guó)規(guī)范、新西蘭規(guī)范和日本規(guī)范關(guān)于風(fēng)向折減效應(yīng)相關(guān)規(guī)定的優(yōu)劣，提出了考慮風(fēng)向折減效應(yīng)的新方法。此外，既有基于概率的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)可靠性理論通常只能考慮一個(gè)極限狀態(tài)，對(duì)于多極限狀態(tài)情況下不同極限狀態(tài)之間的相關(guān)