考虑不确定性和方向性的结构随机极值和疲劳风致响应及抗风可靠性评价理论

The proposed project will develop advanced approaches for modeling joint probability distribution of directional extreme wind speeds using multi-variant extreme value theory based on limited directional wind speed data. Advanced methods for quantifying extreme value distribution and fatigue damage of Gaussian and non-Gaussian wind load effects will be established. A comprehensive wind tunnel testing program will be carried out to study the aerodynamic damping associated with crosswind response of structures at the vicinity of vortex lock-in wind speed. An analysis framework for calculating stochastic wind-induced multimode coupled response of structures with nonlinear aerodynamic damping will be developed and validated from wind tunnel tests. The proposed project will also establish a new probabilistic framework for assessing risks of wind-excited structures associated with multiple limit state responses. This innovative framework will be able to integrate uncertainty and directionality of wind, aerodynamics and structural characteristics, which cannot be achieved in state-of-the-art approaches. Simplified calculation procedures will be developed for their adoption in future design codes and standards. The new tools and methods developed in this project will help in achieving consistent design of different structural systems with various limit state responses, and consistent structural design against multiple hazards. This project provides useful tools and knowledge for reliability and performance-based design and assessment of structural systems against wind and other multiple hazards, enhancing our ability for building and maintaining resilient and sustainable infrastructure and structural systems.

将应用并发展多元极值理论，建立更加合理的根据有限实测数据估算年极值风速与风向的联合概率分布的方法。充分利用风工程学科的最新研究成果，建立评价结构高斯、非高斯风致响应极值和疲劳损伤的概率分布的精细化方法。通过风洞试验，建立合理的非线性气动阻尼模型，并开发计算非线性随机风致振动响应（包括极值和疲劳响应）的解析方法。综合考虑影响结构抗风性能的重要参数的不确定性和方向性，结合极值风速和风向的联合概率分布，开发更为合理且便于实际使用的以概率为基础的结构抗风性能评价及设计理论体系，对结构针对多目标极限抗风性能的系统可靠性进行合理评价。该理论体系将有助于实现不同结构体系在不同极限性能状态情况下的结构可靠度或失效概率的统一，同时实现针对多灾害荷载的结构可靠度或失效概率的协调一致。这种崭新理论体系的建立将对制定更合理的基于结构概率性能设计的规范、并提高大型土木结构的抗风性能以及综合防灾性能具有重大的影响。

本研究应用多元极值理论，建立了更加合理的计算年极值风速概率分布以及不同风向年极值风速的联合概率分布方法，为结构抗风设计中考虑风速的随机性和方向性奠定了基础。建立了评价结构高斯、非高斯风致响应极值和疲劳损伤的概率分布的精细化方法，并系统研究了各种参数不确定性对响应极值和疲劳损伤估计的影响。建立了通过结构横风向响应风洞试验，确定结构横风向非线性气动阻尼的方法，并研究了紊流特性以及顺风向结构响应对横风向气动阻尼的影响。开发了考虑非线性气动阻尼计算高层结构非线性随机风致振动响应（包括极值和疲劳响应）的解析方法。解明了大跨度桥梁扭转软颤振发生的机理，并开发了计算软颤振临界风速及软颤振振幅的方法。本研究以横向风作用下的高速移动列车为研究对象，在相对于移动列车脉动风场、移动列车风荷载、横向风作用下列车响应及倾覆危险性概率分析等方面开展了较为系统的研究，提出了新的计算方法并得到了新的成果。本研究开发了更有效快速的非平稳随机风场的蒙特卡洛模拟方法，建立了识别时变相干函数的方法，并研究了它对高层结构风致响应计算的影响。本研究建立了综合考虑影响结构抗风性能的重要参数的不确定性和方向性，结合不同风向极值风速的联合概率分布，考虑多个极限状态响应的结构系统抗风可靠性评价方法。该理论体系的建立将有助于实现不同结构体系在不同极限性能状态情况下的结构可靠度或失效概率的统一，同时实现针对多灾害荷载的结构可靠度或失效概率的协调一致。本研究的成果可用于制定更合理的基于结构概率性能设计的规范,从而提高大型土木结构的抗风性能及综合防灾能力。