【摘 要】
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随着经济的飞速发展,国内体育场馆、高铁站台、机场航站楼以及特高压换流站阀厅等大跨建筑不断兴建。其中直立锁缝屋面系统因其轻质高强、造型美观、施工速度快以及防水性能优越等特点,而广泛应用于此类大跨建筑的屋面围护结构中。然而,在大量应用的同时,因其抗风揭性能不足导致的屋面被掀起的事故时有发生,造成了极大的经济损失。为了减少或避免风揭事故的发生,系统的研究直立锁缝屋面系统风致响应特性及其概率评估方法尤为重
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随着经济的飞速发展,国内体育场馆、高铁站台、机场航站楼以及特高压换流站阀厅等大跨建筑不断兴建。其中直立锁缝屋面系统因其轻质高强、造型美观、施工速度快以及防水性能优越等特点,而广泛应用于此类大跨建筑的屋面围护结构中。然而,在大量应用的同时,因其抗风揭性能不足导致的屋面被掀起的事故时有发生,造成了极大的经济损失。为了减少或避免风揭事故的发生,系统的研究直立锁缝屋面系统风致响应特性及其概率评估方法尤为重要。目前,直立锁缝屋面系统的研究主要集中在静态抗风揭试验和数值模拟两方面,而在动态风洞试验以及概率评估方法(抗风揭可靠度、风灾易损性)等方面却鲜有涉及。鉴于此,本文以某特高压换流站阀厅直立锁缝屋面系统为研究对象,从足尺风洞试验、风致响应有限元分析、抗风揭可靠度以及风灾易损性等四个方面开展风致响应和概率评估方法研究,以期为直立锁缝屋面系统抗风设计提供参考和借鉴。具体而言,本论文开展和完成了如下研究工作:(1)为了研究直立锁缝屋面系统在真实风荷载作用下的动力学行为,本文开展了直立锁缝屋面系统足尺风洞试验研究。参考某特高压换流站阀厅整体缩尺风洞试验结果,选取该阀厅直立锁缝屋面系统风压最大且最易破坏位置,即最不利位置建立局部足尺风洞试验模型;以不同风速、风向角和湍流度为试验工况,探究了风速、风向角和湍流度对直立锁缝屋面系统动态风压特征与屋面的动态响应特征的影响,并总结其影响规律以供工程参考。(2)为了替代繁杂的试验工作,本文开展了直立锁缝屋面系统风致响应有限元分析。首先,建立了包括屋面板、滑动支座和檩条在内的直立锁缝屋面系统精细化有限元模型;其次,基于本文动态风洞试验数据和现有静态抗风揭试验研究成果,分别从动态分析和静态分析两方面验证了有限元模型的正确性;最后,出于计算的可行性和计算效率考虑,采用静力分析研究了直立锁缝屋面系统风揭破坏全过程及其抗风承载力。分析结果表明:直立锁缝屋面系统常见为脱扣破坏,并且该破坏始于屋面板局部屈曲,继而造成锁缝位移和支座反力突变,最后致使滑动支座和屋面板发生脱离;在整个破坏过程中,锁缝处屋面板和支座的连接部位为薄弱位置,进行抗风设计时应予以重视。(3)为了评估直立锁缝屋面系统抗风安全水平,本文开展了直立锁缝屋面系统抗风揭可靠度分析。首先,根据有限元计算得出的脱扣破坏过程,提出以屋面板大肋边节点相对位移作为量化指标,推导了直立锁缝屋面系统脱扣破坏对应的极限状态函数;随后,引入主动学习Kriging代理模型的Monte Carlo(AK-MCS)法建立了直立锁缝屋面系统抗风揭可靠度分析框架;最后,针对该特高压换流站阀厅直立锁缝屋面系统进行抗风揭可靠度分析。计算结果表明:直立锁缝屋面系统的可靠指标β=2.2801,较《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068-2018)要求偏低,建议对该屋面系统锁缝连接处进行采取加强措施。(4)为了推动性能化的抗风进程,本文开展了基于多重性能水准的直立锁缝屋面系统风灾易损性分析。根据直立锁缝屋面系统脱扣破坏过程,定性划分了“三阶段性能水准-四损伤状态”,随后,以屋面板大肋边节点相对位移作为性能指标,定量推导性能水准对应的量化模型;最后,结合风灾易损性分析方法,对该特高压换流站阀厅直立锁缝屋面系统进行了多重性能水准下的风灾易损性分析。研究结果表明:通过本文方法得出的风灾易损性曲线,能较好的预测直立锁缝屋面系统损伤状态、失效概率以及抗风承载力,可为后续性能化的抗风设计提供参考。最后,简要总结了本文的主要结论,并对下一步的研究方向进行了讨论。
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