大跨屋盖外围护结构风压极值对比研究

大风天气下,大跨屋盖外围护结构被掀翻的情况时有发生,对人民的生命财产安全造成了严重威胁。目前大跨屋盖外围护结构的设计依据主要来源于风洞试验数据。其中风洞试验风压极值的常用求解方法是基于高斯平稳随机过程理论的峰值因子法,但由于大跨度空间结构的特征湍流较为明显,大跨屋盖表面的风压统计规律表现出很强的非高斯分布,如果仍按高斯时程来计算风压极值,会导致结构设计的风险。鉴于此,本文结合具体工程对风荷载极值的计算方法进行了改进,引入Hermite矩模型变换公式,建立非高斯时程与高斯时程之间的对应关系,可得到更为准确的峰值因子,为与传统峰值因子法区分开来,本文将非高斯时程的峰值因子称为等效峰值因子。另外,在足尺风压系数时程时长足够的情况下,也可直接采用最优无偏估计来直接求解风压极值。通过对比发现:等效峰值因子绝大部分大于传统计算所用的3.5,负压边角处峰值因子明显偏大,可达到6~7,在具体项目计算时要引起重视,否则会低估风吸力的设计标准值。本项目极大值风压系数(正压)为1.685,极小值风压系数(负压)为-4.871,对于大跨屋盖结构,吸力远远大于压力。通过探讨不同极值统计方法对极值风压系数分布规律的影响,我们发现:三种计算方法的极值风压系数分布规律基本一致。对于角部与边缘区域,等效峰值因子法与最优无偏估计的极值估计更大一些,有一定的放大效应,放大效应10%。在进行具体的外围护风荷载分析时,应尽量采用等效峰值因子法,并辅助最优无偏估计法去验证数据的可靠性。

基于Pareto分布的风压极值计算方法

为了利用短时距样本得到具有指定保证率的风压极值,根据风压时程的自相关分析,从短时距风压样本中得到足够的峰值风压样本,通过Pareto分布I型分布拟合峰值样本的高尾部数据,并利用广义极值分布和广义Pareto分布之间的关系对风压的极值做出估计,得到基于Pareto分布的风压极值计算方法。高层建筑表面的围护结构设计取决于结构的表面风压极值的选取。为了获得准确的风压极值,利用高层建筑风洞试验多次独立采样得到的数据,将基于Pareto分布的风压极值计算方法与基于经典极值理论改进的Gumbel法、改进峰值因子法和Sadek-Simiu法进行了比较,从风压极值的期望值和指定保证率的极值两个方面对比可以发现,前者可以得到更为准确的估计。

大型双曲冷却塔表面脉动风压随机特性——风压极值探讨

针对风压信号呈现的非高斯特性和传统极限估计方法的局限,首次提出基于保证率和相关性的极值估计方法——全概率迭代法进行冷却塔表面脉动风荷载极值分析,并和传统的峰值因子法及改进的Sadek-Simiu法计算结果进行对比验证。结果表明:全概率迭代法避开了对随机过程的高斯分布假定,相比传统的极值估计方法其结果更加真实可靠;表达风压极值中脉动分量的峰值因子数值沿着环向和子午向变化显著,如取为同一数值则偏于危险或过于保守;采用全概率迭代法得到的表面风压系数极值分布曲线与规范取值相比,迎风面和负压峰值区域极值偏小,背风区域极值偏大,且最小值对应角度相差约10°。

雷诺数对柱面屋盖脉动风压非高斯特性与风压极值的影响

基于柱面屋盖的风洞测压试验,研究了不同雷诺数下脉动风压的非高斯特性,并通过改进独立风暴法分析了风压极值分布随雷诺数的变化规律。结果表明,当Re=6. 90×104～2. 48×105时,非高斯风压和风压极值分布具有明显的雷诺数效应。

紊流积分尺度对CAARC模型迎风面极值风压特性的影响及修正方法

大气边界层流场中紊流度剖面可以正确模拟,但紊流积分尺度很难精确模拟,对于CAARC(commonwealth advisory aeronautical research council)标准高层建筑模型在大气边界层B类场地,实际紊流积分尺度为高层建筑采用常用缩尺比在常规风洞中的1.4倍~2.7倍。该文通过风洞试验在大气边界层B类场地中采用5种不同缩尺比工况,其中一种工况接近于工程实际,通过其余四种工况与这种工况对比,定量地研究了紊流积分尺度对CAARC模型迎风面极值风压特性的影响。结果表明,极值风压系数随紊流积分尺度的增大而增大,极值风压系数误差随模拟紊流积分尺度误差的增大而增大,当实际紊流积分尺度为模拟积分尺度的3.25倍时,实际极值风压系数为模拟极值风压系数的1.55倍,误差率高达35%,且迎风面越靠近驻点的测点,受紊流积分尺度的这种影响越显著;为了更深入理解紊流积分尺度的影响,利用脉动风压功率谱分析了极值风压受紊流积分尺度的影响机理;最后根据紊流积分尺度对极值风压系数的影响,提出了迎风面极值风压系数的修正公式。该试验采用的紊流积分尺度涵盖高层建筑常用缩尺比在常规风洞中紊流积分尺度模拟的所有误差范围,同时以CAARC标准高层建筑模型为试验对象,可以为所有风洞试验结果提供修正依据,同时可以推广到其他钝体。

动态风压极值分析中峰值因子取值的探讨

针对传统风压极值估计方法存在的缺陷,提出了适用于单个样本随机过程的极值估计法—全概率逼近法。通过对某多塔组合冷却塔风洞测压试验结果进行分析表明,全概率逼近法避开了对随机过程的高斯分布假定,对于呈现明显非高斯分布的随机过程,相比传统的极值估计方法能得到较好的结果;由于群塔和周边建筑的干扰效应,壳体表面不同区域其脉动风压变化幅度不同,可以通过采用不同的峰值因子来考虑其脉动风效应影响。

围护结构非高斯风压极值估计的改进Hermite峰值因子法

为克服传统研究风压极值方法忽略带宽参数影响的不足和改进概率密度函数拟合效果,结合曲面拟合方法获得一种改进Hermite级数,提出了引入带宽参数的改进Hermite峰值因子法。采用改进Hermite峰值因子法和以往常用方法对开孔屋盖风压的峰值因子进行研究。结果表明:基于高斯分布的Davenport的峰值因子明显偏离非高斯峰值因子;忽略带宽参数的传统Hermite峰值因子法高估了风压的正负峰值因子;改进Hermite峰值因子法相应于传统Hermite方法和修正Hermite方法和Sadek-Simiu方法,估计的开孔屋盖风压的峰值因子最为安全准确,与观测峰值因子总体上最为接近。

基于非高斯仿真的风压系数极值计算方法

以多变量相关非高斯过程仿真方法为基础,发展了一种基于单次采样的多变量非高斯仿真极值计算方法。首先介绍开孔屋盖的风洞试验概况和多变量相关非高斯过程仿真的基本理论,对屋盖上一组测点风压进行了非高斯仿真,结果表明基于谱修正的多变量相关非高斯过程仿真方法得到的时程在功率谱密度,相干函数,高阶矩三方面与目标值接近,仿真效果较好,然后采用经典极值理论对多次仿真的非高斯时程进行极值计算,将该方法得到的峰值因子与以往常用方法的结果进行比较,结果表明:Davenport峰值因子法高估气流分离区左偏风压的正峰值因子60%,低估负峰值因子43%;Sadek-Simiu峰值因子法低估了高峰度风压的峰值因子50%;而基于单次样本进行仿真的非高斯仿真峰值因子法,其估计的开孔屋盖的峰值因子最为准确,与观察峰值因子总体上最为接近。

大型户外广告牌面板极值风压分布的试验研究

大型户外广告牌作为城市典型的风灾易损性结构,在强风作用下的毁坏倒塌发生频繁,存在巨大的安全隐患。本文针对大型户外独立柱广告牌结构设计的薄弱环节,即广告牌面板的极值风压破坏,通过开展三种湍流度不同的风场的测压试验,考虑面板风压时程的高斯/非高斯特性,使用三种不同的极值风压计算方法,给出了极值风压与风场之间的联系,同时也比较了不同风场下这三种极值计算方法的优劣,对实际广告牌面板结构的设计以及广告牌面板易损性的研究有一定参考价值。

围护结构非高斯风压极值估计的改进独立风暴法

为获得具有确定保证率的围护结构设计风荷载,提出了针对较小容量样本的极值概率分析方法——改进独立风暴法,基本思路是采用自相关分析技术提取单段风压时程的多个独立峰值,进而结合加权最小二乘法对独立峰值进行概率分析,获得样本极值的最优无偏估计。由于样本抽取时保证了各峰值的独立性,且各独立峰值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极值概率模型。结合多次采样风洞试验,将改进独立风暴法与峰值因子法、改进峰值因子法和Sadek-Simiu法进行了对比,结果表明,前者可对较小容量样本获得极值概率模型的解析表达,进而获得具有指定分位点的极值,从而提高了概率分析方法在实际围护结构抗风设计中的适用性。

槽式聚光镜的脉动风压特性与极值风压分布

通过对槽式聚光镜模型进行风洞测压试验,分析镜面平均风压和脉动风压分布特性,并给出部分测点的脉动风压功率谱图,对影响脉动风压分布的因素进行分析。同时还探讨脉动风压的概率分布,并对峰值因子的取值给出建议。研究结果表明:镜面竖向仰角及水平风向角不同时影响脉动风压分布的主导因素不同;镜面部分面积的风压分布在某些工况下有明显非高斯特性;抗风设计时可采用目标概率法来确定镜面的峰值因子以防止部分区域的风压保证率过高。此外还给出镜面各分区的峰值风压系数值。

球面屋盖围护结构风压极值相关性与折减系数研究

以矢跨比为1/6、支承高度为200mm的大跨球面屋盖为模型进行风洞试验,运用极值统计理论对风压极值相关性进行了定性和定量分析,运用结构变量法求得了联合保证率为78%的风压极值,并根据一元极值的风压极值算得折减系数,分析结果表明,在球面屋盖顺风向中心线范围内,屋盖背风面的折减系数均大于屋盖迎风面的折减系数。进一步研究了风压极值折减系数与风压极值相关性,得到折减系数与相关性度量呈正比。

基于r个最大次序统计量模型的极值风压估算

提出一种基于r个最大次序统计量(r largest order statistics,r-LOS)模型的极值风压估算方法,该模型包括广义极值(generalized extreme value distribution,GEV)联合分布形式及Gumbel联合分布形式.提出了独立风压峰值r-LOS序列构造方法、最优r值确定方法、r-LOS GEV模型和r-LOS Gumbel模型的优选方法.将r-LOS模型方法应用于某低矮工业建筑刚性模型测压试验的极值风压估算.当采用多段风压时程估算极值风压时,r-LOS Gumbel模型优于r-LOS GEV模型和经典Gumbel模型.当采用单段风压时程时,与基于改进Hermite模型的峰值因子法、Sadek-Simiu法相比,r-LOS Gumbel模型方法能更加精确地估算极值风压,适用于非高斯风压的极值估算,可以给出极值风压分位点的解析解.分析表明,r-LOSGumbel模型方法是一种多段时程和单段时程条件下均适用的极值风压估算方法.

基于大涡模拟超大直筒-锥段型钢结构冷却塔极值风压研究

以国内拟建的首座超大直筒-锥段型钢结构冷却塔(189 m)为例,通过大涡模拟法获得其表面三维气动力时程和周边流场分布形态,并与国内外实测及风洞试验结果对比验证了数值模拟结果的有效性。在此基础上,基于三种典型风压极值算法(峰值因子法、改进峰值因子法和Sadek-Simiu法)对比分析了此类钢结构冷却塔表面峰值因子和风压极值的分布规律,并基于非线性最小二乘法分别给出了直筒和锥段部分的风压极值一维/二维拟合公式及取值建议;研究表明:直筒-锥段型钢结构冷却塔负压极值区和分离区附近风荷载呈现明显的非高斯特性,基于高斯分布假定的峰值因子法计算得出的极值风压数值偏小;锥段和直筒段背风面极值风压均大于规范取值,锥段迎风面和侧风面极值风压与水工规范极值接近,而直筒段迎风面和侧风面极值风压与荷载规范极值接近;所提出的风压极值拟合公式可以包络直筒和锥段的实际风压极值,最大误差<10%。研究结论可为此类钢结构冷却塔风荷载设计取值提供参考。

低空封闭连廊的表面风压和整体体型系数

采用刚性模型测压风洞试验研究低空封闭连廊的风压分布和整体体型系数,分析连廊4个表面测点的体型系数和非高斯分布特性,研究连廊整体体型系数随风向角和连廊长度的变化,给出低空封闭连廊的正迎风整体体型系数和角度风分配系数,基于极值分析方法给出连廊的全风向极值风压系数,最后给出连廊抗风设计的建议值.研究表明,低空封闭连廊在正吹情况下背风面的体型系数约为-1.04~-0.86,绝对值均大于规范中方柱的-0.6,导致连廊的整体体型系数大于规范中方柱的1.4,30 m长低空封闭连廊的整体阻力系数为1.61;正吹情况下连廊中间截面的整体体型系数大于其他截面,正吹风向角的整体体型系数大于其他风向角,连廊越长正迎风整体体型系数越大;在正吹情况下,连廊迎风面风压主要为高斯分布,其他表面主要为非高斯分布;给出正迎风整体体型系数和角度风分配系数以用于低空封闭连廊主体结构的抗风设计.

不同风场中特高压换流站阀厅屋盖风压特性试验研究

特高压(ultra high voltage,UHV)换流站阀厅的金属屋面系统在风荷载作用下易发生屋面表层风揭事故。为深入探讨该类建筑屋面的风压极值特性,基于风洞试验分别探讨了大气边界层(atmospheric-boundary-layer,ABL)风、壁面射流、均匀湍流三种风场作用下的屋面风压特性,比较了平均风剖面、风速、风向、湍流强度等因素对屋面风压的影响。结果表明:阀厅屋盖迎风前缘负风压最大,且控制风向角在45°左右;壁面射流风场下平均风压系数与脉动风压系数均超过大气边界层风场的结果;风速对阀厅屋盖的负风压系数均值和极值影响较小,而湍流度对风压系数的极值影响较大;大气边界风场时,JGJ/T 481—2019《屋盖结构风荷载标准》的最不利风压系数建议值偏于安全;而在壁面射流风场下,阀厅屋盖全风向最不利风压系数在所有区域都大于JGJ/T 481—2019的建议值,设计中应加以重视。

下击暴流作用下大跨平屋面的极值风压分析

在下击暴流风场中,大跨平屋面建筑顶部的来流分离区及尾流区域处风压具有极强的非高斯特性。基于稳态冲击射流作用下的大跨平屋面建筑刚性测压试验结果,使用高阶统计量法研究了典型径向距离处屋面风压高斯与非高斯分区特性,利用TPP法计算测点峰值因子,发现平屋面表面测点极值风压系数与建筑物离下击暴流喷口间距有密切关系,研究结果表明:在下击暴流作用下,大跨平屋面部分区域出现明显的风压非高斯特性,尤其是迎风和背风边缘区域;屋面中心区域和屋面侧边缘区域峰值因子较小,屋面峰值因子取值范围在3.99~9.29,测点峰值因子均明显大于《建筑结构荷载规范》中的取值;在不同径向距离处,极值风压系数均为负值,来流分离区域及尾流区域风压系数绝对值较大;极小值风压系数绝对值随径向距离的增加先增大再减小,在径向距离为1.25 D_(jet)时极小值风压系数绝对值出现最大值。

基于高阶矩的非高斯风压极值计算

基于采样时长较长的风洞试验数据,在Hermite多项式的基础上提出了计算风压极值的简化公式。采用Winterstein提出的近似解析式计算Hermite多项式的相关参数,根据风洞试验数据拟合得到了简化公式中的未知系数。将数据的极大值和极小值作为参考值,对拟合后的简化公式精度进行了评估。在极大值评估中,对比了简化公式与现有Hermite计算式的精度,其中后者的参数采用Yang等提出的近似解析式计算。研究结果表明,在不同采样频率、时距及风洞试验数据下,简化公式估计极大值精度较高,估计极小值则存在较大相对误差,但由于极小值数值较小,其实际差异不大。

平面尺寸对矩形高层建筑极值风压影响的研究

为探索平面尺寸对矩形截面高层建筑表面极值风压分布的影响,对长宽比为1~9的建筑进行了风洞测压试验及后续的脉动风压极值分析,研究了正交风向下不同长宽比建筑各表面极值风压的分布特点,并与我国荷载规范的计算值进行了比较,探讨了全风向角下极值风压包络值在各表面的分布状况及随平面尺寸的变化规律。结果表明,平面尺寸对背风面和侧风面影响较显著,总体而言较小长宽比对极值负压更为不利;我国荷载规范对侧风面和背风面围护结构的风压取值存在诸多偏于不安全的情况。考虑全风向最不利状况的极值风压包络值在墙面分布及随不同平面尺寸变化上均呈现更简单的规律,直接基于包络值分布提出的矩形建筑围护结构风压的取值方法,具有既简便又能更好反映实际风压分布及随平面尺寸变化的-特点。

阶梯形平屋顶及其参数对建筑屋面极值风压的影响

针对阶梯形平屋面的设计风压系数在前人研究及风荷载规范中都鲜有提及的现状,设计一系列刚体模型测压风洞实验,考察阶梯形平屋顶中等高度建筑的屋面极值风压特性以及阶梯高度和形状的影响。在验证数据可靠性基础上,重点讨论点极值风压及其最不利位置和风向角并据此确定阶梯形平屋顶风压分区;计算面积平均极值风压并将其与美国规范(ASCE7)进行比较。结果表明,阶梯形平屋顶的高层屋面极值负压最不利值与普通平屋顶并无差别,而低层屋面的极值正压和负压受阶梯参数影响明显。除附属面积较小时的负压超过规范限值外,其他面积平均风压结果与规范吻合较好。这些结果不仅能为阶梯形平屋顶的屋面系统设计提供参考,也为其将来纳入我国规范积累了基本数据。