基于数值模拟的轻钢结构厂房风致易损性研究

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我国东南沿海是台风多发地区,每年由于台风登陆造成的大量房屋破坏甚至倒塌,给当地带来了重大的经济和财产损失。其中,低矮房屋结构占了绝大多数,尤其是沿海地区的轻钢结构厂房,因其自重轻、钢板可重复利用等优势得到广泛应用。对于轻钢结构厂房来说,门窗和屋面板在台风中极易发生破坏,破坏之后伴随雨水入侵,又会造成进一步的损失,同时也可能是损坏相邻建筑物的碎片来源,因此确定轻钢结构在风荷载作用下的门窗和屋面板易损性具有重要意义。而现有的研究大多是针对某一具体的封闭或者开孔状态,本文旨在借助数值模拟手段对轻钢结构厂房的门窗开孔顺序进行连续分析研究,再对不同开孔状态下各位置门窗、屋面板以及围护结构整体综合失效概率进行计算,确定这类结构的风致易损性曲线。本文研究内容具体如下:轻钢结构厂房门窗开孔顺序及失效概率研究。首先通过三个得到业界公认的低矮房屋模型实测数据验证了本文采用CFD(Computational Fluid Dynamic)数值模拟技术的可行性及可靠性,验证内容包括结构内、外风压系数;接着对两个风向角、封闭状态下的轻钢结构厂房进行建模分析,通过划分区域,得到不同位置门窗以及屋面板的平均外风压荷载系数;引用门窗抗力模型,采用蒙特卡洛模拟方法计算门窗在10-80 m/s名义风速范围内的失效概率。如果在某一风速下存在门窗失效,则判断为产生开孔,并重新建立开孔模型,分析得到新的平均外风压、内风压系数,并对剩下门窗重新进行失效概率计算,依此循环,直至门窗完全破坏或者不再产生新的开孔位置。至此得到两个风向角下、各位置门窗的开孔顺序、内压变化以及封闭或各个开孔状态下的门窗失效概率曲线;最后,对各个破坏状态下、对应风速区间的失效概率进行综合,得到各位置门窗贯穿整个名义风速区间的综合失效概率曲线。轻钢结构厂房屋面板以及围护结构整体失效概率研究。在确定了门窗的开孔顺序及各个破坏状态下结构不同位置的平均内、外风压系数后,定义了屋面板失效准则和抗力模型,并采用蒙特卡洛模拟方法计算得到了所有屋面板各自的失效概率曲线;然后,建立了针对所有门窗、所有屋面板以及围护结构整体三者的破坏等级、对应损失率及平均损失率矩阵,根据不同破坏等级超越失效概率的计算流程,得到了三者在两个风向角各个破坏状态下不同破坏等级的超越失效概率曲线。接着,对各状态下对应风速区间的围护结构整体超越失效概率曲线进行了综合,并通过加权平均法得到了整体损失率曲线;最后,对提高围护结构抗风能力,降低风灾易损性提出了一些建议。
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