台风作用下低矮房屋风荷载现场实测和风洞试验及理论分

学校代号10532学号T07011004分类号密级博士学位论文台风作用下低矮房屋风荷载现场实测和风洞试验及理论分析研究学位申请人姓名胡尚瑜培养单位土木工程学院导师姓名及职称李秋胜教授学科专业结构工程研究方向结构风工程论文提交日期2012年4月9日学校代号：10532学号：T07011004密级：湖南大学博士学位论文台风作用下低矮房屋风荷载现场实测和风洞试验及理论分析研究国家自然科学基金重大研究计划重点项目资助(90815030)湖南大学“985”工程项目资助学位申请人姓名：胡尚瑜导师姓名及职称：李秋胜教授培养单位：土木工程学院专业名称：结构工程论文提交日期：2012年4月9日论文答辩日期：2012年6月2日答辩委员会主席：肖岩教授Fieldmeasurement,windtunneltesingandtheoreticalanalysisoftyphoons-inducedwindloadsonlow-risebuildingsbyHUShangyuB.E.(EastChinaJiaotongUniversity)2005M.S.(HunanUniversity)2007AdissertationsubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofEngineeringinStructuralEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorLIQiushengApril2012I湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日台风作用下低矮房屋风荷载现场实测和风洞试验及理论分析研究II摘要我国是世界上受台风影响最严重的国家之一，每年登陆我国东南沿海地区的台风平均次数为8-9个。台风所造成的人员伤亡和财产损失主要由台风风致灾害所造成的，风致灾害中绝大多数为居民房屋及低矮建筑风损破坏和倒塌。本文针对台风风致灾害中低矮建筑的风损和风毁问题，应用现场实测、风洞实验及理论分析相结合的方法，对台风作用下近地台风风场特性和低矮建筑风荷载进行了深入、系统的研究。本文主要研究内容及成果如下：（1）基于近海岸台风观测系统，获取了登陆台风10m高度三维风速数据，对在近海岸地貌强风条件下，10m高度的风特性和湍流特性进行了统计分析。各向湍流强度Iu、Iv、Iw均值范围分别为0.11-0.14、0.06-0.11和0.03-0.05。阵风因子同湍流强度正相关，湍流积分尺度随湍流强度增加而相应减少。（2）基于平坡屋面实验房及台风观测系统，获取了近地台风风速实测数据，从来流不同地貌和台风不同区域影响的角度，对台风风场近地湍流特性进行了分析。台风外围大风区域10m高度的各向湍流强度、积分尺度、阵风因子大于台风眼壁区域实测值。台风眼壁区域的顺风向和竖向脉动风速功率谱值与台风外围区域实测功率谱值差别不大，而台风眼壁区域的横风向脉动风速功率谱值大于台风外围区域实测谱值。（3）基于双坡屋面实验房及台风观测系统，获取了近地台风风速实测数据，对近地边界层台风风场特性进行了研究。近地边界层100m高度范围内的平均风速剖面符合对数律和指数律分布，平均湍流强度剖面符合指数律。与良态季风条件下相比，台风风剖面参数如摩擦速度值、地面粗糙度长度、风剖面幂指数值等相对变大；台风天气条件下实测的平均湍流度相对季风实测值增大20％以上。（4）基于平坡型实验房获取的近地风速和房屋表面风压同步实测数据，对平坡屋面角部区域的风压规律和风压影响因素进行了研究。在斜向强风作用下，屋檐角部区域实测最大峰值负压为-4240.0Pa，峰值负压系数最小值为-13.5。ASCE7-10规范规定值低估了屋檐角部区域的峰值负压。分析了角部区域峰值压力在时间和空间的平均效应。探讨了不同来流湍流强度和湍流积分尺度及竖向风攻角对角部区域风压的影响。（5）基于双坡屋面实验房获取的台风风速和双坡屋面表面风压同步实测数据，对双坡屋面风压分布规律进行了研究。在斜向风作用下，迎风屋面屋脊角部边缘测点、屋檐角部区域具有较高的局部峰值负压和脉动风压，风压系数的概率分布为非高斯分布。并运用非高斯峰值因子极值分析方法对屋檐和屋脊角部区域的风压博士学位论文III进行了极值分析，最后将屋檐和屋脊角部区域的峰值负压系数的实测值及极值分析的结果与ASCE7-10规范规定值进行了比较，发现ASCE7-10规范低估了屋檐和屋脊角部边缘区域的峰值负压。（6）以平坡屋面和双坡屋面实验房现场实测结果为基准，开展了两实验房的模型测压风洞试验研究。在受气流分离和锥形旋涡影响下的屋面屋檐和屋脊区域的峰值负压及脉动风压的风洞实验值与现场实测值存在较大差异，风洞实验结果低估了屋面屋檐和屋脊区域的峰值负压和脉动风压。同时开展了不同流场条件、不同坡度屋盖形式和屋面建筑构造对屋面风荷载影响的相关风洞实验研究。（7）基于现场实测研究结果，应用准定常理论分析了屋面角部区域的等效静态风压系数、脉动风压系数和脉动风压谱。准定常法预测的等效静态风压系数与平均风压系数存在较大差异。准定常方法相对低估了平坡屋面角部区域脉动风压系数。屋脊和屋檐角部区域的脉动风压谱预测值与实测值在低频范围内相对吻合较好，在高频范围脉动风压预测谱低估其实测谱。根据香港天文台横澜岛观测站实测台风风速资料，考虑各年台风发生频次不同，运用复合极值Poisson-Gumbel模型分析了台风多发地区的极值风速。证明了采用复合极值Poisson-Gumbel模型统计分析极值风速结果相对合理。最后根据等效静态风压系数和极值风速分析结果，分析了台风多发地区的低矮建筑平坡屋面的极值风压。本文的研究成果，可为台风多发地区低矮建筑的覆盖物及构件的抗风设计及相关风荷载规范的修订提供参考依据。关键词：低矮建筑；风荷载；台风观测；风特性；现场实测；风洞试验；理论分析；极值分析台风作用下低矮房屋风荷载现场实测和风洞试验及理论分析研究IVAbstractTyphoonsareoneofthemostdestructivenaturaldisastersintheworld.ThesoutheastcoastalregionsofChinaareexposedtostrongtropicalcycloneswithanaveragenumberofeightorninemakinglandfalleachyear.Asaresult,thewind-relateddisasterscausesignificantpropertylossesandheavycausalitiesinthisregionalmosteveryyear.Basedonpost-stormevaluationofdamageandlosses,buildingsandstructuresinthetyphoon-proneregion,inparticularresidentialhousesandlightindustrialstructuresmighteasilybedamagedordestroyedinextremewindstorms.Hence,thereisanurgentneedtounderstandtheextremewindloads,whicharetheprimarycausesofdamagesoflow-risebuildingssubjectedtotyphoonsorstrongwindstorms.Inthisstudy,thewindloadsonlow-risebuildingsduringtyphoonswereinvestigatedthroughfieldmeasurements,windtunneltestsandtheoreticalanalysis.Themajorobjectiveofthestudyistofurtherunderstandneargroundtyphoon-generatedwindcharacteristicsandwindloadsonlow-risebuildingsunderextremewindconditionsduringtyphoonlandfalls.Themajorscopeandachievementsofthisstudyareasfollows:(1)Meanwindspeedandwindturbulencecharacteristicsoftyphoonwindsinsurfaceboundarylayerwerestudiedbasedonthree-dimensionalwinddata,whichwererecordedfromultrasonicanemometersat10mheightatsitesnearseashoreduringlandfallingoftyphoons.Themeanvaluesoflongitudinalturbulenceintensityrangedfrom11%to14%forthecoastalterrainunderstrongwindconditions.Themeanvaluesoflateralturbulenceintensityrangedfrom6%to11%.Themeanvaluesofverticalturbulenceintensityvariedfrom3%to5%.Therelationsamongturbulenceparameterssuchasturbulenceintensitiesandgustfactor,turbulenceintensitiesandturbulenceintegralscalelengthwereanalyzed.Gustfactorincreaseswithincreasingturbulenceintensities.Theintegrallengthscalesdecreasedwithincreasingthelongitudinalturbulenceintensity.Byfittingtheresultsoftheturbulenceparameters,therelationsamongtheparameterswereproposed.(2)Afull-scaleinstrumentedflatrooflow-risebuildinghasbeenconstructedandimplementedtomonitorwindvelocityfieldandbuildingsurfacepressuresduringtyphoons.Theneargroundwindturbulencecharacteristicssuchasturbulenceintensityandintegrallengthscale,gustfactorandwindvelocityspectrawerequantifiedindifferentterrainexposuresan