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

1、風(fēng)是一種具有強烈空間和時間隨機性的自然現(xiàn)象。為了確保建筑結(jié)構(gòu)在隨機風(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》一文中專門提及，抗風(fēng)可靠性研究是風(fēng)工程領(lǐng)域一個重要發(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)是一種隨機性極強的自然現(xiàn)象。當(dāng)建筑處在這種隨機環(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)均具有強烈的隨機性。如何合理考慮這

3、些隨機性是提高建筑結(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)境的隨機性:主要包括平均風(fēng)速隨機性和方向性及平均風(fēng)剖面、隨機湍流場的空間和時間相關(guān)性及功率譜等;風(fēng)環(huán)境隨機性的處理，包括平均風(fēng)速和風(fēng)向的隨機性、平均風(fēng)速剖面和紊流場在物理或者數(shù)值風(fēng)洞中的模擬;2）給定平均風(fēng)速剖面和紊流場條件下風(fēng)與結(jié)構(gòu)相互作用時的不確定性:包括平均風(fēng)速剖面和紊流場模擬的不確定性、氣動力系數(shù)的隨機性等;3）綜合考慮平均風(fēng)

4、速和氣動力系數(shù)的隨機性和方向性，建立一個以概率為基礎(chǔ)的理論框架評估建筑結(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方面分別展開研究工作。論文框架安排如下:
　　第一章為論文選題的初衷和研究現(xiàn)狀及存在的問題;
　　第二章研究了物理風(fēng)洞試驗中平均風(fēng)剖面和紊流場模擬的不確定性問題。物理風(fēng)洞試驗是現(xiàn)階段預(yù)測結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的常用手段，但風(fēng)洞試驗中模擬出來的風(fēng)環(huán)境和真實風(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、因為對真實風(fēng)環(huán)境的特征存在一定的認(rèn)識不確定性，且不同的人對同一風(fēng)環(huán)境進行模擬時也可能產(chǎn)生差異;另一方面，受限于現(xiàn)有被動式風(fēng)洞的尺寸限制，風(fēng)洞試驗中模擬出來的紊流場自譜低頻成份通常比實際偏少。為了研究風(fēng)環(huán)境模擬不確定性帶來的影響，以一鞍型屋蓋為例研究了風(fēng)洞實驗中不同風(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流中低頻能量缺失對屋蓋風(fēng)壓的影響，提出了采用擬定常理論對由于低頻能量缺失引起的脈動風(fēng)壓的降低進行

6、補償。
　　第三章提出了氣動力系數(shù)極值概率分布估計新方法，基于第二章得到的氣動力系數(shù)隨機過程驗證了該方法的有效性。在實際建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗中，出于經(jīng)濟性的考慮，對結(jié)構(gòu)的氣動力系數(shù)即建筑表面風(fēng)壓系數(shù)時程通常不會采樣太長;此外，建筑表面風(fēng)壓隨機過程通常具有強烈的非高斯特性，而短時距條件下非高斯隨機過程極值概率分布的求解理論上難度較大。因此研究短時程條件下非高斯風(fēng)壓隨機過程的極值概率分布具有重要的理論意義和實踐價值。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式轉(zhuǎn)換過程法求解該問題。但遺憾的是，實際計算中還存在一些非高斯過程無法使用該方法或者計算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。在充分研究了三階矩和四階矩對尾部極值估計的影響后，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，建立了短時程條件下基于新矩的埃爾米特多項式轉(zhuǎn)換過程法。
　　第四章提出了估計第三章氣動力系數(shù)極值概率分布抽樣誤差的解析表達(dá)式。不同時程樣本長度得到的三階矩（偏斜）和四階矩（峰態(tài)）具有一定的

8、隨機性——即偏斜和峰態(tài)的抽樣誤差，從而基于矩的埃爾米特多項式轉(zhuǎn)換過程法求解的非高斯隨機過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式轉(zhuǎn)換過程法的抽樣誤差尚無理論解，隨之而來，風(fēng)洞試驗中的氣動力系數(shù)采樣時長的確定亦無理論依據(jù)。本文給出了相關(guān)隨機過程的偏斜和峰態(tài)的抽樣誤差的理論計算公式，基于“一次二階矩”理論進一步給出了基于矩的埃爾米特多項式轉(zhuǎn)換過程法的抽樣誤差，從而為風(fēng)洞試驗中的氣動力系數(shù)采樣時長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)速和氣動力系數(shù)的隨機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，以一鞍型屋蓋圍護結(jié)構(gòu)為例，評估了建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)可靠性?；谠摾碚摽蚣?，全面分析了不同建筑朝向時不同結(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極限狀態(tài)，對于多極限狀態(tài)情況下不同極限狀態(tài)之間的相關(guān)