考虑风向影响的建筑结构风荷载评估与抗风设计

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根据我国的荷载规范GB50009-2012中的相关规定,屋盖上的风压由各方向上的最不利风压系数和各方向上最大的设计风速共同决定,即假定最大设计风速正好来自于结构响应最大的方向。然而,这种简化计算将使风荷载计算值偏于保守。为了得到更加合理、经济的结构设计方案,为今后的工程设计优化提供参考,本文针对风向对屋盖风荷载的折减效应展开系统研究。论文的工作主要包含以下几个方面:(1).简述均一性检验的不同方法,包括t检验法、标准正态均一检验及惩罚最大F检验等。比较各方法的优劣,并采用t检验法对年最大风速数据的原始记录进行均一性检验,对不满足均一性条件的数据进行修正。经过均一性修正后,年极值样本分布的尾部形状发生显著改变。(2).基于经典极值理论建立各方向上极值风速确概率模型,求出各方向上50年一遇的设计风速值;另外,基于样本独立峰值建立各方向上的极值风速概率模型,并求出各方向上 50年一遇的设计风速值。通过对比两种方法的计算结果,可知基于样本独立峰值的极值分析法将低估各方向上的设计风速。此外,阀值的选取是基于样本独立峰值的极值分析法的关键。(3).简述了四种不同的风向折减效应分析方法,包括Simiu法,Sector by sector法、超越界限法及过境风暴法。本文分析各方法的优缺点,以作为改良我国抗风设计的理论基础。(4).考察日本规范中风向折减因子的合理性,参照日本规范中风向折减因子的定义,分析屋盖几何形式和建筑朝向对风向折减因子的影响。结合实测风速和风洞试验结果分析,研究表明日本规范中的风向折减因子对屋盖的几何形式和建筑朝向并不敏感。该结论证实了日本规范中风向折减因子的合理性。因此可不计结构类型,对我国各城市分别给出一组统一的风向折减因子。本文结合风洞试验数据,总结各屋盖形式具有代表性风压系数的方向,对日本规范条例进行补充优化。(5).考察美国规范中风向折减因子的合理性,参照美国规范中风向折减因子的定义,分析屋盖几何形式和建筑朝向对风向折减因子的影响。研究表明美国规范中的风向折减因子受屋盖几何特征和建筑朝向的影响较大。本文总结风向因子和屋盖结构的长宽比、坡度、矢跨比之间的变化规律,其结果可为结构的优化设计提供定性判断。此外,本文根据各建筑朝向下风向折减因子的变化趋势,提出最佳建筑朝向的概念。利用本文总结的最佳建筑朝向的判断标准,对于任一个各方向风速数据已知的城市,即可迅速选出风向折减效应较大的朝向。(6).利用基于小容量样本的极值分析分别对日本及美国规范中的折减因子进行计算,研究表明该方法均可获得同经典极值理论Gumbel法相近的结果。
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