大跨屋盖围护结构风荷载极值概率模型的优化与对比研究

Main Wind-Force Resisting System of long span roof is rarely destroyed by strong wind, but its claddings are usually damaged in wind disaster. The extreme wind loads are used as the design basis to resist the wind loads for claddings. So the reasonable probability distribution is most important for deciding the extreme wind loads on claddings. In this project, generalized extreme value model, peak over threshold model, and translation model are specially studied and optimized. First, the variation rules of wind pressure coefficients on long span roof are studied by wind tunnel tests. Secondly, based on the Bayes theory, the parameter estimation method is optimized for taking into account the uncertainty of parameters; based on the change point theory, the threshold is automatically chosen, and making the peak over threshold model to adapt minority samples by the multi-variable non-Gaussian simulation; using Askey-scheme hyper-geometric orthogonal polynomials to study the translation model for satisfying all the kurtosis and skewness of wind loads. Finally, a special contrastive study is carried out among all the probability distributions of extreme wind loads, and the selection mechanism is proposed to decide the best extreme probability distribution for designing claddings. This project is used as a reference resource for claddings design.

大跨屋盖主体结构很少出现风毁现象，其围护结构损毁是风致破坏的主要形式。大跨屋盖围护结构抗风设计常以极值风荷载为依据，合理的极值概率模型是预测围护结构极值风荷载的先决条件。本项目拟对广义极值分布模型、超阈值模型和转换过程极值模型进行优化与适用性研究。首先，采用刚性模型测压风洞试验方法，研究大跨屋盖风压系数的分布规律。其次，基于贝叶斯理论，考虑参数不确定性的影响，对广义极值分布模型的参数估计方法进行优化研究；基于变点理论和多变量相关过程非高斯仿真方法，研究阈值的量化自动选择，实现超阈值模型在小容量样本极值估计中的应用；采用Askey-scheme正交几何级数，研究转换过程极值模型在全峰度和偏度范围内的应用理论。最后，对上述三种模型进行系统的比较研究，针对不同的样本特性，研究其对应的最优极值概率模型，建立大跨屋盖围护结构设计风荷载极值概率模型的定量选择机制，为大跨屋盖围护结构设计提供理论参考。

围护结构设计风荷载取决于结构表面具有一定保证率的极值风荷载。多数情况下现行的荷载规范无法满足大跨屋盖围护结构的抗风设计要求，缩尺刚性模型测压试验是获取围护结构设计风荷载当前最常用的手段。合理的极值概率模型是预测围护结构极值风荷载的先决条件。. 本项目对典型的大跨屋盖进行缩尺刚性模型测压试验，基于极值理论，进行风压极值概率模型优化与对比研究。主要研究内容包括：1）广义极值分布模型优化研究；2）超阈值模型优化研究；3）转换过程模型优化研究；4)围护结构风荷载极值概率模型对比及选择机制研究。. 通过对本项目的研究，得到以下主要结论：1）得到了大跨屋盖平均风压系数和极值风压系数的不确定性定量结果，风洞测试采样次数最小约50次；基于拟合优度检验表明GEV广义极值分布可以较好的描述屋面的极大值风压和极小值风压系数的概率密度分布；基于不同的参数拟合方法，结果表明在高分位值时极大似然估计具有最好的稳定性，矩估计法最容易实现，概率加权矩法效果最佳。2）提出了基于参数-阈值曲线的斜率变点理论选择阈值，结合概率曲线图得到最佳阈值的改进超阈值模型；基于改进超阈值模型对大跨屋盖极值进行了研究，与其他方法对比显示了改进超阈值模型在单次采样样本中应用的优越性。3）提出了基于改进的Hermite级数展开的转换过程极值方法，与其他方法对比显示了基于改进的Hermite级数展开的转换过程极值方法在极值估计中的优越性。4）提出了基于可靠度理论的方法来标定不同极值模型分位数的方法。. 本项目通过完善和改进大跨屋盖围护结构风荷载极值概率模型，为准确估计围护结构设计风荷载，对保证强风作用下围护结构的安全，降低结构设计投资成本,具有一定的科学意义和实用价值。