复杂高层建筑的风致动力效应和时变可靠度研究结题摘要

在风致性能优化设计中，现代超高层建筑的设计风荷载是根据风洞实验的数据再结合当地的风向风速气象资料来加以评估，并且以概率统计的形式来表达建筑物在设计周期内实际可能会遇到的风荷载及其相应的风致性能。而风致结构性能失效概率和相应时变可靠度的计算则是超高层建筑结构抗风可靠度设计问题中的核心环节。依托本项目，首先对高层建筑的风致结构性能时变可靠度展开了深入的研究。通过对高层建筑表面风压和风振响应时域内的峰值样本展开渐进极值理论分析，提出了基于峰值分布概率模型的广义峰值因子，这个峰值因子可以适用于预测非高斯平稳过程中的期望峰值, 并且具有安全的时变可靠度保证。基于随机振动首次超越理论，通过对高层建筑角部位置随机合成响应过程平均穿越率的分析，还得出了适用于高层建筑非高斯风振响应过程的峰值因子简化公式。在考虑高层建筑风振特性和不确定性的基础上，基于渐进极值理论的风振峰值因子方法是一种可以方便用于风工程实践又不失精度的结构风振时变可靠度计算方法，为实现基于可靠度的高层建筑风振性能优化设计奠定了基础。 在高层建筑结构抗风设计优化方面，通过本项目的研究已经发展了综合风振时程分析和结构优化于一体的高层建筑抗风自动化设计技术。结构优化算法包括基于梯度函数的优化准则法和基于随机进化理论的遗传算法，以及两者的混合使用从而发挥各自在求解结构体系离散变量和结构尺寸连续变量优化问题中的优势。上述优化设计方法中已经考虑了高层建筑结构的风致位移性能，及和风致加速度有关的居住舒适度性能。而且基于随机振动首次超越理论，对影响超高层建筑风致性能的不确定因素进行了系统的考虑，在结构优化设计中对高层建筑风致性能的失效概率进行了有效的控制。 随着时变可靠度计算方法和RBDO算法研究的日益深入，使得发展基于可靠度的超高层建筑风致性能优化设计方法成为可能。本项目的研究采用解耦策略，通过定义概率等效子问题，把可靠度分析从优化设计循环中分离出来，从而成功实现了大规模高层结构的抗风设计可靠度优化算法。 2100433B

目前基于风洞试验的复杂多塔连体型高层建筑动力效应预测方法还不是十分完善，在相同条件下的不同风洞试验结果也存在着一定的变异性。由于风灾气候、大气湍流和结构本身都涉及大量的不确定性，复杂高层建筑的风致动力效应在本质上具有概率性。过大的风致动力效应会导致出现建筑正常使用和居住人员舒适性等设计指标超限的风灾失效事件，其发生的概率特性是随时间变化的，需要在确定性分析方法的基础上进行概率和可靠性描述。本项目拟对复杂高层建筑的风致动力效应、不确定性传播及由此引发的时变可靠性等问题展开研究，包括: 1、复杂高层建筑气动风效应的试验和数值预测方法研究；2、复杂高层建筑风致动力响应分析和多目标等效风荷载建模；3、空气动力和结构动力不确定因素识别和定量分析；4、考虑高层建筑风灾失效的风致时变可靠度计算。通过上述研究工作为提高复杂高层建筑等对风敏感重大工程结构的整体抗风灾能力提供相关的计算理论与设计方法支撑。

本项目围绕重大研究计划的关键科学问题，开展大跨度桥梁结构风致动力灾变效应原型观测与验证的研究。首先，研究大跨度桥梁结构风致动力灾变效应原型观测系统；其次，分析原型观测数据研究桥梁结构风场特性和模型参数及风-雨耦合等效-相流模型；研究大跨度桥梁结构抖振和风雨振等风致动力灾变效应的原型验证方法，分析其一致性和差异性；突破风洞试验技术限制，研究基于整体模态和局部应变原型监测信息的大跨度梁结构气动力和气动参数识别方法，揭示气动力和气动参数的空间相关性、雷诺数效应和湍流尺度效应；发展桥梁结构风雨激振分析方法，揭示雨的作用机理；研究以原型观测的结构振动为边界条件的绕流场CFD数值计算子结构方法，揭示桥梁结构风致灾变及其控制的微观机理，为通过原型观测研究结构风致灾变机理提供有效的方法。本项目研究，将形成大跨度桥梁结构风致动力灾变效应原型观测的理论、方法、技术、系统和原始观测数据，具有重要的科学意义。

本项目主要针对主跨跨度800 米以上的斜拉桥和1500米以上的悬索桥等超大跨度桥梁，着重研究强台风和强季风及其动力作用下的风致灾变关键效应与过程控制，全面采用理论分析、模型试验、现场实测和数值模拟等研究手段，深入揭示风荷载多维和多点非平稳空间动力作用效应、风荷载非线性效应、风－雨－结构动力耦合效应以及结构与空气介质之间的能量转换机理，努力实现基于空间作用效应、非线性效应和动力耦合效应的超大跨度 2100433B

本项目拟将柔性薄膜屋盖结构作为研究对象，采用理论分析、风洞试验和数值模拟相结合的方法研究不同类型薄膜屋盖的风致流固耦合效应。项目首先针对流固耦合机理，采用理论分析和数值计算的方法获得考虑气弹效应的柔性薄膜结构动力特性，进而全面掌握不同薄膜结构的基本气弹性能；基于薄膜结构的气弹特点，构造气弹试验模型并开展PIV试验研究，获取详细的薄膜屋盖风荷载和风致响应全过程信息；再通过和相关理论模型的对比研究, 评估几种气弹试验模型的可靠性和适用性；基于上述理论推导和风洞实验结果，建立新型薄膜结构流固耦合数值计算方法，用来获得薄膜结构的风致振动形变与应力状态、漩涡场及风荷载分布形态变化的全过程信息等。通过本项目的研究，揭示柔性薄膜结构风致流固耦合效应的产生机理，得到柔性屋盖结构力学性能的影响规律，建立相关的分析模型与计算方法，研究成果将解决薄膜屋盖结构的抗风关键科学问题。