大跨屋盖结构风效应不确定性研究

Wind effect uncertainty is an important development direction in the research of wind engineering field, which represents the inevitable trend of modern engineering design theory. Wind-resistant design of large-span structures is characterized as: complex time and spatial distribution of fluctuating wind; multi-mode vibration of wind-induced response; multiple equivalent objectives to calculate equivalent static wind load (ESWL), which makes the effect of uncertainties more significant. In this project, the research framework of wind effect uncertainty analysis is established. More than one thousand independent runs of wind tunnel experiments are carried out in order to obtain a large amount of independent samples. Then the probability model of wind pressure is proposed. Based on the repeated wind tunnel tests, global parametric sensitivity analysis is performed in order to quantify the strength and relevance of the inputs in determining the variation in wind-induced response. Further, the parameters of generalized extreme value distribution of the largest dynamic response on typical wind-sensitive structures are established. At last, the probability-based method to determine design wind load for both cladding and main structure is proposed, which is essential for a reliability-based risk-consistent structural design to strong winds.

结构风效应不确定性研究是风工程领域具有挑战性的发展方向，也是当前国际风工程研究的热点课题之一。大跨屋盖结构的抗风问题具有特征湍流作用显著、多模态参振和多等效目标的特点，导致屋盖结构风效应具有很强的不确定性。通过本项目研究，构建结构风效应不确定性研究的理论框架；对典型形式大跨屋盖进行重复采样风洞试验，建立基于概率的风荷载数学描述模型；采用全局参数灵敏度分析方法考察荷载不确定性和结构自身参数随机性对结构风振响应的影响，建立结构动力极值响应的概率分布模型，实现对大跨屋盖结构风效应从简单的确定性分析到考虑各种随机因素的不确定性分析；在此基础上提出基于概率的围护结构和主体结构设计风荷载计算方法，为构建基于可靠度的结构抗风设计理论提供科学基础。

通过本项目研究，构建了结构风效应不确定性研究的理论框架；对具有典型形式的大跨屋盖刚性模型进行了超过1000次的独立采样风洞试验，获得大量脉动风压样本。通过对风荷载各阶统计量（均值、标准差、偏度、峰度）进行不确定性分析，建立了相应的概率描述模型，研究发现正态分布和对数正态分布是脉动风压前3阶统计量的最优分布，广义极值分布是峰度系数的最优分布。基于极值理论建立了极值风压的概率模型，探讨了极值风压概率分布与特征湍流的关系；对传统峰值因子法的荷载保证率进行了评估，发现峰值因子法无法给出具有一致保证率的极值风压分布，且较大程度的低估了最不利负压，误差率在20%~30%之间。.提出了定量评估结构极值风响应认知不确定性的分析方法。采用该方法可以计算对应不同保证率的极值风响应置信区间。考察了风速和风效应系数样本数对总体不确定性的影响，结果表明在实际抗风设计中不考虑由于样本数目不足导致的认知不确定性将显著低估极值风致响应。影响认知不确定性的诸多因素中，R年一遇风速对总体不确定性贡献最大。当风速随机性较小而风效应系数随机性较大时，风效应系数变异系数对总体不确定性影响较为显著。与刚性结构相比，柔性结构对风速不确定性更为敏感。.将本文提出的不确定性分析方法应用到多项重大工程包括大型体育场馆(如国家体育场、国家网球中心、宿州体育馆)和其他重要工程建筑(如高铁沈阳南站、天津西站、云南科技馆新馆)中，结果验证了本文方法的有效性和实用性。