大跨空间结构的风荷载与风响应概率性评价项目摘要

基于可靠度的抗风设计是结构风工程理论发展的重要方向，而概率性评价则是构建结构抗风可靠度理论的前提和基础。由于大跨空间结构的风荷载和风效应的复杂性，目前相关研究工作尚处于空白状态。本项目拟采用理论研究、风洞试验和原型实测相结合的方法，对大跨空间结构的极值风荷载和极值风振响应的概率分析方法及概率分布特征进行系统研究，探讨各种不确定性因素的生成机理和传递机制，建立相应的概率描述模型，提出适用于主体结构和围护结构的设计风荷载概率性评价方法，给出具有确定保证率的设计风荷载；在此基础上，对上述研究成果进行集成，构建更为完备的大跨空间结构风荷载数据库系统。以上工作为揭示大跨空间结构的风致关键效应机理提供了有效的途径，为进一步构建基于可靠度理论的空间结构抗风设计方法奠定了坚实的基础。

大跨屋盖结构的抗风问题具有多荷载形态、多响应振型和多等效目标的特点，这种复杂性导致各种不确定因素对于结构风效应的影响更为显著。本项目以大跨屋盖结构为研究对象，从理论、实验等多方面开展系统的风效应不确定性研究，提出了基于概率的结构抗风设计方法。主要工作有： 1、构建结构风效应不确定性研究的理论框架。确定以概率相关系数检验法和极大似然估计法对结构风效应各阶统计量的概率分布拟合优度进行定量评价，建立最优概率分布模型；以参数灵敏度分析方法定量评估各种不确定因素对结构风振响应不确定性的贡献率，获得不确定性在风荷载与风振响应间的传递规律；采用基于极值理论的估计方法计算具有确定保证率的极值风荷载和风振响应。 2、大跨屋盖风荷载的不确定性分析。对若干典型大跨屋盖刚性模型进行了重复采样风洞试验，通过对风荷载各阶统计量进行不确定性分析，建立了相应的概率描述模型。研究发现，正态分布和对数正态分布是脉动风压前3阶统计量的最优分布，广义极值分布是峰度系数的最优分布。还对峰值因子法的荷载保证率进行了评估，发现峰值因子法无法给出具有一致保证率的极值风压分布，且可能低估最不利负压20%~30%左右。 3、空间结构风振响应的不确定性分析。应用Sobol’方差分解法对结构进行了参数灵敏度分析，定量评估各种不确定因素对风振响应不确定性的贡献率，研究发现：①风振响应的不确定性主要受风荷载不确定性控制；②风振响应的参数灵敏度与共振响应在总响应中的比重有关，共振响应越大，结构对风荷载越敏感。 4、提出具有确定保证率的围护结构设计风荷载分析方法。提出了针对较小容量样本的概率分析方法-“改进独立风暴法”，其基本思路是设定某一荷载阈值，将连续超出该阈值的时段记为一个独立脉冲，将每个独立脉冲的最大值作为一个极值样本进行概率分析。由于样本抽取时保证了各脉冲极值的独立性，且各独立脉冲的形成机制具有较好的一致性，因此应用这一方法可对较小容量样本获得较为精确的概率模型。 5、提出具有确定保证率的主体结构设计风荷载分析方法。针对大跨屋盖结构多振型参振、等效目标众多的特点，提出一致等效静风荷载分析方法，其基本思想是：分别建立多目标等效方程组和约束方程组，前者的目的是获得与各等效目标吻合程度最好的解，后者的目的是限制某些奇异荷载作用模式的出现，从而解决了多目标等效问题，使主体结构设计风荷载在整体上具有一致的保证率。 2100433B

雷暴冲击风是短时间内冲向地面并沿雷暴中心向外围迅速扩散的高强气流，其最大风速出现在近地面附近，对输电线塔具有极强的破坏性。目前针对雷暴冲击风下输电塔风荷载和风振性能的研究较少，包括我国在内的大多数国家的荷载规范基本上仍采用常态大气边界层剖面风荷载作为设计荷载，并未体现雷暴冲击风的作用。本项目通过输电塔气弹模型风洞试验，在边界层风洞中模拟雷暴冲击风风场，采用新的位移测试技术对输电线塔雷暴冲击风作用下的风振特性进行系统的研究，分析不同类型的输电塔在冲击风作用下的风振响应规律。基于输电塔气弹模型整体位移响应的测量结果，进行气动阻尼参数和作用于结构上的气动荷载识别，研究输电塔结构气动阻尼随风速的变化规律和气动荷载的分布特征与作用机理，建立输电塔结构三维静力等效风荷载的新的试验分析方法，为输电塔抗冲击风设计提供理论依据和设计指导。

雷暴冲击风的最大风速出现在近地面附近，对输电线塔具有极强的破坏性。当前针对雷暴冲击风下输电塔风荷载和风振性能的研究较少，导致输电塔的风毁事故时有发生。包括我国在内的大多数国家的荷载规范基本上仍采用常态大气边界层剖面风荷载作为设计荷载，并未体现雷暴冲击风的作用。本项目采用自主开发的雷暴冲击风模拟装置，在常规边界层风洞中实现了雷暴冲击风的模拟。基于输电塔气弹模型风洞试验，采用非接触位移测试技术对输电线塔在冲击风场下的风振特性进行了系统研究。总结了不同类型的输电塔在不同尺度冲击风作用下的风振响应规律，并对比分析了常规风场和冲击风场下塔头、塔高等因素对输电塔风振响应的影响。基于输电塔气弹模型位移响应的测量结果，研究输电塔气动荷载的分布特征，类比于荷载响应相关法，建立了输电塔结构三维静力等效风荷载的新的试验分析方法。研究结果表明，冲击风下的输电塔风振响应与常规风场下的响应并未有明显区别，均以一阶模态振动为主。不过，由于冲击风的低湍流度特征导致脉动响应偏小。输电塔风振响应随高度和风速的增大而增大，同时随风向角变化呈现规律性的特征，最大风振响应基本发生在15o～30o。风场和塔高相近的条件下，干字型塔楼的平均和脉动响应均高于猫头型输电塔。输电塔的等效静风荷载成分组成说明，对于镂空的输电塔结构，其平均荷载占有绝对优势，背景响应和共振响应占次要地位。 2100433B