我国基本雪压的统计建模与取值研究

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雪荷载是多雪地区结构设计过程中必须要考虑的自然荷载之一,对大跨度屋面及轻型钢结构屋面等对雪荷载敏感的结构,雪荷载的正确设计尤为重要。近些年来,暴风雪等极端天气频繁发生,因雪荷载引起的结构坍塌事故也时有报道,再考虑到大跨度建筑及轻型钢结构建筑的广泛建设应用,加强对雪荷载的研究具有十分重要的现实意义。基本雪压是屋面雪荷载设计的基础。我国现行《建筑结构荷载规范》列出了全国500多个城市的基本雪压值,同时也明确指出了进行基本雪压估算所使用的概率分布模型及拟合估算方法。然而,目前尚没有文献对《建筑结构荷载规范》基本雪压的估算过程进行全面介绍,因此读者对其所蕴含的不确定性缺少认识和判断依据。此外,近年来学术界在极值分析领域的一些新进展为基本雪压的估算提供了新的视角和方法。在此背景下,本文参考该领域的部分新进展,对我国各地区的基本雪压进行了估算,并对估算过程与方法进行了细致介绍。为此,主要开展了如下几方面的工作:1)对我国年最大积雪深度数据所服从的概率分布模型进行了研究。为此,首先介绍了几种常用的概率分布模型以及模型拟合方法。随后采用极值I型分布、对数正态分布和广义极值分布,对我国120个记录长度超过40年的气象台站的年最大积雪深度数据进行拟合,并采用K-S检验法对三种模型进行了分布假设检验;然后分别基于AIC指标以及经验分布概率与拟合分布概率之间的相关系数,对三种概率分布模型的拟合优度进行了对比,发现大多数台站更偏向于服从对数正态分布。最后,采用蒙特卡洛模拟技术,分析了用对数正态分布代替极值I型分布对基本雪压进行估算的影响,发现随着年最大雪深的变异系数从0.2变化到0.8,对数正态分布估算结果较之极值I型分布的上升幅度从-4.0%递增到17.5%,表明了采用正确的概率分布模型的重要性。2)探讨了区域化分析方法在基本雪压估算中的应用。区域化分析方法是弱化小样本效应的一种技术手段;本文以我国黑龙江省83个气象台站1981年-2010年间的年最大雪深数据为例,详细介绍了区域频率分析和影响区域法这两种区域化分析方法的基本思想和实施步骤。蒙特卡洛数值模拟试验结果表明,区域频率分析方法和影响区域法能有效提高对基本雪压估算的准确性和稳定性,尤其是在样本量很小的情况下,这两种区域化分析方法的优势更加明显。3)以黑龙江省为例,详细介绍了基本雪压的估算过程及其中需要注意的事项。在年最大雪深拟合过程中,考虑了极值I型分布、对数正态分布和广义极值分布,验证了对数正态分布拟合优度更佳的结论。通过假设积雪密度服从对数正态分布,利用蒙特卡洛模拟试验分析了积雪密度的不确定性对基本雪压的影响。此外,还探讨了基本雪压的空间插值方法,发现以海拔高度作为协同变量的协同克里金法是在所考虑的几种方法中最适用的方法。4)对我国各地区的基本雪压进行了估算,并给出相应的基本雪压分布图。采用我国733个气象台站1999年-2008年间的每5日雪压观测数据及734个台站1951年-2010年间的逐日雪深数据,考虑不同的概率分布模型以及不同的拟合方法,分别采用单点分析和影响区域法分析,对基本雪压进行了估算。基于积雪密度的实测数据,并参考我国《建筑结构荷载规范》的分区方法,将我国分为6个不同的积雪密度分区,计算了各个分区积雪密度的平均值与标准差。分析结果显示估算得到的基本雪压与地区平均积雪密度均与我国《建筑结构荷载规范》有所差异,表明采用最新观测数据和估算方法的必要性。
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