台风作用下轻型钢结构的风灾易损性分析

摘要

风灾是人类面临的主要灾害之一，其中又以台风(也为飓风、强热带气旋)造成的灾害最为严重。近年来，在登陆台风作用下，中国沿海城市(浙江、香港、福州、厦门等)处的轻钢房屋极易遭受破坏，且程度严重，而且台风往往还会引起暴雨、洪水、浪等灾害，造成更广泛更严重的二次破坏，导致巨大的经济损失。为提高房屋的抗灾能力和为政府、工业界及保险业提高防灾能力及风险控制等提供科学依据，开展强风下轻钢结构的风灾易损性分析是十分必要的。论文围绕台风风场模拟、台风路径模拟、非高斯风压极值估计和轻钢房屋的损失估计四个方面进行研究，所做的主要工作如下：　　首先，介绍了目前工程领域和保险业界广泛使用的台风风场经验模型。依据国内外研究者对经验风场模型的总体思路，提出了一种改进的台风经验风场模型。在获得该模型时，首先基于台风梯度平衡方程获得梯度风场；然后受Arya边界层模型成功地引入到行星边界层模型(PBL模型)中的启示，模拟近地面风场时引入理论边界层模型。基于数值方法将该模型求解，并对求解结果进行简易解析式化，以便用于台风风场的快速模拟。基于登陆中国大陆海岸线的历史台风观测数据，并通过与PBL模型和以往的经验模型的精度对比，对改进的经验模型进行了验证。　　其次，介绍了基于局部圆法(Circular Sub-region Method, CSM)确定的路径模型进行台风危险性分析的总体思路，进而提出了传统的台风局部路径模型所存在的问题及相应的改进模型。改进模型主要涉及中心气压差的模拟、模拟圆尺寸的确定、台风关键参数相关性的考虑。为进行台风危险性分析，分别利用中国气象局和美国联合台风警报中心(JTWC)发布的数据确定了台风衰减模型和最大风速半径模型。最后基于改进的风场模型、改进的局部路径模型、台风衰减模型和最大风速半径模型对中国东南沿海城市进行了台风危险性分析，给出了各个城市不同方向下不同重现期下的模拟极值风速。基于模拟结果探讨了台风关键参数的相关性对模拟极值风速的影响。将模拟结果与荷载规范、基于传统局部路径及全路径下的结果进行对比，验证了改进的局部路径模型。　　风压常常具有非高斯特性。由于传递函数具有单调性的要求，广泛用于非高斯风压极值估计和模拟的Hermite模型(HPM)具有可行区。对于偏度和峰度落在HPM可行区外的非高斯风压，HPM不再适用。而Johnson转换模型(JTM)具有比HPM更大的可行区。本论文对JTM在非高斯过程的模拟和极值估计两方面进行了系统的研究。首先介绍了JTM及其相应的参数估计方法。然后建立了基于JTM的非高斯风压模拟的框架，在该框架中，推导给出了非高斯过程的相关系数关于高斯过程的相关系数的函数表达式。同时基于JTM推导出计算非高斯风压峰值因子的解析表达式。最后基于理论分析和风洞试验数据系统地对比JTM和HPM在非高斯模拟和极值估计两方面的区别和差异，以评估JTM在非高斯风压模拟和极值估计方面的精度。　　基于中国东南沿海城市的台风危险性分析结果和传递函数JTM，提出了一种有效的轻钢房屋的围护结构风致易损性分析方法，以考虑开孔工况、内压变化以及风速风向变异性等多个因素。首先，对轻钢房屋的风致破坏过程做细致分析。其次，考虑飞掷物的冲击和强风压作用导致的门窗破坏，确定开孔工况，并基于伯努利方程，获取开孔房屋内压。随后利用Nataf变换描述风荷载相关性，考虑屋面板的关联破坏。最后，基于随机模拟，提出风致易损性分析流程，并进一步考虑台风的方向性效应。文中结合具体数值算例，对所提方法进行展示，给出了各个城市不同重现期下的房屋损失率。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 台风风场模型

1.2.2 台风路径模型

1.2.3 非高斯风压的模拟和极值估计

1.2.4 低矮轻钢结构的风致损失估计

1.3 存在的主要问题

1.4 本文的主要研究内容

第2章 改进的台风风场经验模型

2.1 引言

2.2 经验风场模型

2.2.1 Batts 风场模型

2.2.2 Georgiou模型

2.2.3 AIR模型

2.3 改进的经验风场模型

2.3.1 梯度风场

2.3.2 近地面风场

2.3.3 改进的经验模型的使用流程

2.4 风场验证

2.5 本章小结

第3章 中国东南沿海城市台风危险性分析

3.1 引言

3.2 总体模拟思路

3.3 研究区域和数据来源

3.4 改进的台风局部路径模型

3.4.1 中心气压差的模拟

3.4.2 模拟圆半径的确定

3.4.3 台风关键参数相关性的考虑

3.5衰减模型

3.6 中国东南沿海城市的台风危险性分析

3.6.1 台风的两个重要参数的估计

3.6.2 台风关键参数的分布

3.6.3 不同重现期下的最大风速估计

3.7 本章小结

第4章 基于Johnson转换模型的非高斯模拟和极值估计

4.1 引言

4.2 传递理论

4.3 Pearson 分布系统

4.4Johnson 转换模型

4.5Johnson 模型参数的估计

4.5.1 分位点法

4.5.2 矩估计法

4.5.3 最大似然估计法

4.5.4 最大似然-最小二乘法

4.6 基于Johnson 模型的非高斯模拟

4.6.1 高斯过程的模拟

4.6.2 高斯过程的相关函数的偏离

4.6.3 非高斯过程的模拟流程

4.7.1 高斯过程的极值分布

4.7.2 非高斯过程的极值分布

4.8 Johnson 模型精度的评估

4.8.1JTM和HPM 间的对比

4.8.2 鞍形屋盖风洞试验数据

4.8.3 非高斯风压模拟

4.8.4 非高斯风压极值估计

4.9本章总结

第5章 台风作用下低矮轻型钢结构的易损性分析

5.1 引言

5.2 房屋模型简介

5.2.1 风洞试验

5.2.2 金属屋面模型

5.3轻钢结构房屋破坏过程分析

5.4 轻钢房屋门窗破坏

5.4.1 风压破坏

5.4.2 飞掷物破坏模型

5.5 开孔房屋内压

5.6 螺钉的内力分析

5.6.1 基于POD 的屋面风压插值

5.6.2 螺钉内力估计

5.6.3 基于JTM的螺钉内力极值分布

5.7基于蒙特卡洛模拟估计建筑房屋屋面损失

5.7.1 螺钉失效准则

5.7.2 屋面板破坏

5.7.3 基于随机模拟的屋面板损失估计

5.8 风的方向性效应

5.9台风下失效概率

5.10 本章总结

结论与展望

一论文的主要结论

二、论文的主要创新点

三、需进一步解决的问题

附录

附录AHermite 多项式模型

附录B 基于Hermite 估计非高斯过程的峰值因子

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果