大跨屋盖结构风压概率统计分析及极值研究

【摘要】：大跨屋盖结构广泛地用于体育场馆、会展中心、车站等公共建筑中,为满足容纳人数多,外形新颖等特点,桁架、网架结构成为其支撑体系的首选,这类结构屋面跨度大,质量轻,且多存在不同程度的开孔或悬挑,在内、外风荷载共同作用下,风效应复杂,属于风荷载敏感结构。风灾调查表明,大跨结构遭受风灾破坏较为严重,如何准确地估计这些损坏区域的风压极值是风工程领域一直广泛关注的课题。本文基于5个矢跨比不同的模型及体育场工程实例风洞试验数据,总结了常用概率分布函数和极值估算方法的研究现状,对模型表面的风压特性、概率统计特性及极值分布进行了深入研究,主要内容包括以下几个方面:(1)风洞试验介绍和风压特性分析。首先介绍了本课题风洞试验基本情况和数据处理基本方法;其次,详细分析了模型屋盖表面风压系数分布规律,发现平均风压和脉动风压呈现基本一致的变化规律,屋盖表面以负压为主,且在悬挑屋檐区域,由于悬挑屋檐与墙面之间产生明显的“兜风效应”,使悬挑区域产生“上吸下顶”的叠加效果,负压大于屋盖区域。随着屋盖矢跨比增大,风压系数分布规律有所变化,斜风向来流撞击屋盖时角部区域不再形成明显的双翼锥形涡;最后,对墙面风压系数和局部体型系数进行分析得出,墙面角部区域测点受气流碰撞分离和旋涡脱落的影响,风压较大,且矢跨比增大对墙面风压影响不大。对于体型系数,平屋盖模型规范建议值和试验值基本相符,而对于拱形屋盖屋脊区域,规范建议值比试验值小14%～30%左右。对于墙面局部体型系数,迎风区和背风区与规范取值相符,而侧风区则表现比较大的差异,规范建议取值普遍偏小。对于内压体型系数,试验值为-0.10～0.16,说明规范建议取值-0.2～0.2是合理的。(2)大跨建筑表面风压概率统计分析。首先描述了屋盖表面第三、四阶统计量分布规律,分析了屋盖表面风压的非高斯特性,并利用常用的几种概率密度函数函数拟合了模型表面典型测点的概率分布。研究发现:对于典型测点,高斯分布、极值分布和三参数伽马分布能较好地描述测点概率分布,但是无法对所有测点选取同一种概率模型进行描述。(3)极值理论及相应极值方法介绍。首先介绍了零值穿越理论、经典极值理论两种理论基础及常用的极值方法,并对极值方法进行改进;其次,对提出的几种方法对比分析,发现Sadek-Simiu法误差最小,将其作为本文的极值估算方法。(4)大跨结构风压极值分布及工程实例分析。首先由第四章得出的结论,选取Sadek-Simiu法对屋盖表面极值风压分布规律进行研究,基于5个不同矢跨比模型的封闭试验工况及模型一(矢跨比S/B=0)的10种幕墙开洞试验工况,研究了屋盖表面极值风压随模型几何参数的变化规律。结果表明,随屋盖矢跨比增大,悬挑屋檐短边方向极值风压增大,长边方向极值风压减小;当屋盖矢跨比不变,幕墙单面开洞时,极值风压增大,对屋盖最不利;幕墙双面对称开孔时,极小风压值减小,对屋盖有利。最后,基于上一章提出的极值计算方法,对梅州体育场工程实例进行了详细分析。