考虑风压与飞掷物冲击双向耦合作用的低矮建筑风灾易损性研究

Strong wind and typhoon have caused heavy casualties and economic loss in Chinese coastal areas every year, among which the damage caused by the collapses of low-rise buildings is more than half of the total loss in wind hazards. Therefore, typical low-rise buildings in Chinese coastal areas are selected as the research objects, and the destructive mechanism and vulnerability model of low-rise buildings on wind damage are analyzed innovatively in this project. On the basis of the near-ground typhoon characteristics and the pressure distributions of typical low-rise buildings by field measurement and wind tunnel test, and combining with current load codes, the wind load models of low-rise buildings in Chinese coastal areas are established. Based on theoretical analysis and literature survey, the probabilistic bearing capacity models of low-rise building and the wind pressure damage vulnerability models are settled. Utilize the Monte Carlo simulation method to establish the 3-Dimension probabilistic flight trajectory model of windborne debris, and then the vulnerability models of debris impact failure are built. At last, considering the two-way coupled interaction between wind pressure damage and windborne debris impact, the wind vulnerability models of low-rise buildings are developed as a whole. Through the project, the loss of wind hazards of low-rise buildings can be assessed, and the wind-resistance design methods for low-rise buildings in Chinese coastal area can be improved, and these studies will provide theoretical support for the early warning of typhoon disaster.

我国沿海地区每年由于强/台风袭击造成大量人员伤亡和经济财产损失，其中低矮建筑在风灾中破坏所造成的损失超过风灾总损失的半数，本项目以我国沿海强/台风地区典型低矮房屋为对象，对低矮建筑风灾破坏机理和易损性模型进行具有创新性和针对性的研究。基于近地层台风特性、低矮房屋足尺模型表面风压实测数据和风洞试验，结合现有荷载规范，建立我国沿海台风地区低矮建筑表面风荷载模型。采用理论分析和文献调查的方法，建立低矮建筑概率性承载力模型，并在此基础上建立低矮建筑表面风压破坏易损性模型。利用蒙特卡罗数值模拟的方法，建立风致飞掷物三维概率飞行轨迹模型，并以此建立飞掷物冲击破坏易损性模型。最后联合考虑低矮建筑表面风压破坏与飞掷物冲击破坏双向耦合作用，建立低矮建筑整体风灾易损性模型。通过本研究可以对台风灾害进行损失评估，提出适合我国沿海地区低矮建筑结构抗风设计方法，为未来台风预警提供理论支持。

我国沿海地区每年由于强/台风袭击造成大量人员伤亡和经济财产损失，其中低矮建筑在风灾中破坏所造成的损失超过风灾总损失的半数。本项目以我国沿海地区典型低矮房屋为对象，对低矮建筑风灾破坏机理和风灾易损性模型进行详细研究。（1）首先进行沿海近地层平均风以及脉动风实测分析，在充分考虑台风风速时程非平稳特性的前提下，从时域和频域两个方面研究总结了近地风特性参数变化规律，并与现行规范作详细比较，给出了相应模型改进建议。（2）选取沿海地区典型双坡屋面低矮房屋模型进行风洞试验获得风压数据，分析相对位置、建筑间距、风向角、排列方式等因素对建筑平均风压和极值风压分布的影响。（3）基于风洞试验对低矮房屋的风致内压进行了系统研究，分析了房屋开孔后的平均内压和脉动内压的响应特性，讨论了外部激励条件（来流湍流度和风速）和开孔结构自身特性（开孔大小、形状、位置和背景孔隙率）等因素在不同风向角下对开孔建筑内压系数的影响。（4）研究了板状飞掷物三维飞行轨迹的概率分布特性，使用3D-PTV方法实现风洞试验中板状飞掷物飞行轨迹的三维追踪，研究了风向角及下游挡板对板状飞掷物飞行轨迹、飞行速度等的影响。（5）通过有限元数值模拟和冲击试验，研究风致飞掷物的特性对建筑玻璃围护结构冲击破坏的影响。基于LS-DYNA等有限元软件建立风致飞掷物冲击建筑浮法玻璃的数值模型，并进行钢球冲击建筑浮法玻璃的应变和破坏试验，综合考虑了风致飞掷物的材料类型、外形、质量、速度、冲击姿态、冲击位置等多种因素对建筑玻璃冲击效应和最终破坏结果的影响。（6）最终基于上述研究，在考虑屋面、墙面系统的抗风压承载力概率模型基础上，通过结构可靠度和蒙特卡洛模拟方法，综合考虑表面风压对屋面瓦片或板件等轻质构件的破坏，以及飞掷物对建筑门窗等的冲击破坏作用，建立了各种因素作用下低矮建筑整体风灾易损性模型，可以对台风灾害进行损失评估，为未来台风预警和低矮建筑结构抗风设计方法提供理论支持。