《大型屋盖及围护体系抗风防灾理论、关键技术和工程应用》

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风灾是造成社会财产损失最大的自然灾害之一。大型屋盖及其围护体系是典型的风敏感建筑,风致破坏事故频发,造成了巨大经济损失和人员伤亡,已经成为公共安全领域全社会的重大关切之一。

20年来,大型屋盖及其围护体系抗风一直是国际风工程和结构工程领域重点攻克的难题之一,究其原因有三:一是大型屋盖风致作用机理和风效应分析理论的研究严重缺失;二是大型屋盖设计风荷载的确定方法在国内外规范中均未给出,安全隐患大;三是金属屋面特别是咬口类金属屋面板的抗风揭能力难以定量确定,缺乏成套应用技术。该项目自1996年起针对大型屋盖及围护体系的上述问题开展了系统研究,取得了突破性成果,主要创新有:

揭示了大型屋盖风致作用机理,提出了极值风压和风振效应分析理论:揭示了大型屋盖建筑特征湍流作用机理,明确了屋盖风压的非定常、非高斯特性及脉动负压极值与锥形涡、柱状涡等特征湍流间的相关性。提出了非高斯风压极值的计算理论,给出了显式表达的高斯-非高斯风压变换条件,提出了基于非高斯分布左右尾部特征分别确定风压极值的新模型,提高计算精度20%以上。提出了基于主导振型选择的多振型耦合风振响应分析理论,可大幅减少计算所需振型数量,且减少幅度随结构规模的增大而增大,显著提高计算效率。

创立大型屋盖设计风荷载的确定方法,主编了《屋盖结构风荷载标准》:提出了前四阶矩显式表达的非高斯风压系数极值计算公式;基于屋面风压的空间相关性、风向效应及风荷载分区的研究成果,提出了屋盖围护结构全风向风压系数极值的确定方法。建立了大跨屋盖结构设计风荷载确定方法,基于风荷载主导本征模态和结构主导振型,提出多目标等效静风荷载计算方法,可实现全部风振响应极值的同时等效。给出了平面、柱面、球面、双坡、鞍型、悬挑等5类典型体型屋盖设计风荷载计算图表,主编了《屋盖结构风荷载标准》,是世界上首次纳入基于多目标等效成果的规范。

研发了屋面系统抗风的技术措施、检测评价方法,形成了成套应用技术:

发明了金属屋面抗风揭试验装置及试验方法,提出金属屋面系统抗风承载力可量化的评价指标和评价方法。研发出提高抗风承载力的金属屋面板板型、抗风揭部品部件以及节点构造,形成了成套应用技术,使直立锁边金属屋面的抗风揭能力提高2倍以上。

学术成果已成功应用于奥运系列场馆、高铁系列站房,多省市奥体中心、展览馆、航站楼,大型工业建筑,以及国家会议中心、国家大剧院、APEC峰会中心等国内外200余项重要工程。以学术成果和工程应用为基础发表SCI论文46篇、EI论文114篇,其中42篇论文的单篇被引次数超过30次,最高被引次数达101次。研究成果已纳入《屋盖结构风荷载标准》、《压型金属板工程应用技术规范》等14部国家、行业和地方标准,及《压型金属板建筑构造》等9部标准图集,使学术成果得到广范应用,社会效益显著。

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