开敞式建筑的大跨度屋盖的多级设防抗风研究

The standard of wind-resistance design is single in present codes; the mechanism of wind load acting on the roof (the open-type building’s roof has two surfaces which are subjected to wind pressure) is more complicated than others; there is no clear provision about the wind load of open-type building’s roof in present codes; all of these make the safety factors of the roof be increased purposely in design process, which not only lead to unnecessary expenses but also can’t avoid potential safety hazard. Based on the multi-level fortification theory, a roof which can be opened and a wind-resistance design method(called “strong framework and weak skin” design method) are proposed for the large-span roof structures of open-type building, which give a new angle on the wind-resistance design theory for the large-span roof structures of open-type building. According to the methods of wind tunnel test, numerical simulation and theoretical analysis, the wind load characteristics of roof are compared between the holes on the roof are closed and opened. When the holes on the roof are opened, the influence law and mechanism of wind pressure on the top and bottom surfaces are studied deeply. Based on the two variables of the hole’s location and size, the probability model of net wind load on roof and the optimized design method of large-span roof are set up, which enrich the wind-resistance design theory on large-span roof structures of open-type building.

现行规范实行的是单一设防抗风标准；开敞式建筑大跨度屋盖的风荷载更加复杂（存在上下两个受风面）；其在抗风设计中没有明确的规范规程可循；这些因素使得设计人员在进行抗风设计时，往往人为地放大设计的安全系数，这样一方面造成了不必要的浪费，另一方面也不能排除某些安全隐患。本项目将基于“多级设防理论”，提出一种适用于开敞式建筑的可开孔抗风屋盖和抗风设计方法（“强骨架弱蒙皮”设计法），从一个全新的角度探索开敞式建筑大跨度屋盖的抗风设计理论。项目拟通过风洞试验、数值模拟和理论分析相结合的方法，对开敞式建筑大跨度屋盖开孔前后的风荷载特性进行深入系统的研究，对比分析开孔前后的屋盖风压分布规律和风荷载特性，进一步研究开孔对屋盖上下表面风压的影响规律及其机理，建立屋盖设计净风荷载的概率模型及开孔位置和尺寸对屋盖抗风的优化设计方法，丰富开敞式建筑大跨度屋盖的抗风设计理论。

现行规范实行的是单一设防抗风标准，开敞式建筑大跨度屋盖的风荷载更加复杂（存在上下两个受风面），其在抗风设计中没有明确的规范规程可循，这些因素使得设计人员在进行抗风设计时，往往人为地放大设计的安全系数，这样一方面造成了不必要的浪费，另一方面也不能排除某些安全隐患。本项目将基于“多级设防理论”，提出一种适用于开敞式建筑的可开孔抗风屋盖和抗风设计方法（“强骨架弱蒙皮”设计法），从一个全新的角度探索开敞式建筑大跨度屋盖的抗风设计理论。.针对两种典型（半月拱形和椭圆环形）的大跨度屋盖的开孔措施，探索了开孔前后风荷载特性以及屋盖开孔参数对屋盖风荷载影响规律及其机理。研究表明：屋盖开孔可以有效的降低孔洞周围局部区域的风压系数值，但对屋盖整体的风压分布基本没影响。.着重分析了开孔对于屋盖测点非高斯分布特性的影响规律，提出了非参数检验法的划分方法，揭示了非高斯区风压时程系数的概率密度偏向负值的原因，研究结果表明：非高斯特性风压时程测点多分布于屋盖拐角、边缘以及产生湍流分离的迎风区域，孔洞对于屋盖总体非高斯风压时程测点分布影响较小，但会使得孔口周边部分测点由高斯分布向非高斯分布转换。对比了多种峰值因子计算方法，分析得出：传统峰值因子法及改进峰值因子法受其公式局限性，在极少数测点误差过大；我国现行规范的峰值因子取值将导致设计偏于危险；因此，本项目提出了适合此类型屋盖开孔前后的峰值因子的取值g=3.0。.运用结构概率可靠度设计方法，根据屋盖蒙皮常见的几种失效形式，建立蒙皮多失效模式可靠度模型和骨架可靠度模型，并对大跨度屋盖结构进行抗风可靠性分析。研究表明：所建立的屋盖可靠度模型，考虑了蒙皮多失效模式之间的相关性，以及蒙皮对骨架结构可靠度的影响，能较精确的计算出蒙皮及其骨架的可靠度，可适用于众多由蒙皮与骨架构组成的结构系统的可靠性分析。