龍卷風(fēng)作用及核電站結(jié)構(gòu)極端風(fēng)荷載相關(guān)問題研究綜述

張文娜，錢江

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

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龍卷風(fēng)作用及核電站結(jié)構(gòu)極端風(fēng)荷載相關(guān)問題研究綜述

張文娜，錢江

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

龍卷風(fēng)荷載；風(fēng)致飛射物；沖擊響應(yīng)；抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)

龍卷風(fēng)是由大氣劇烈對(duì)流產(chǎn)生的一種高速旋轉(zhuǎn)的移動(dòng)風(fēng)暴，它作用范圍小，生消快，其發(fā)生時(shí)間和位置難以確定，風(fēng)速極高，破壞力巨大，龍卷風(fēng)經(jīng)過之處會(huì)對(duì)影響范圍內(nèi)的建筑物造成極其嚴(yán)重的破壞[1]。在任何一個(gè)地方，龍卷風(fēng)的發(fā)生概率遠(yuǎn)低于其他極端風(fēng)，通常認(rèn)為抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于龍卷風(fēng)襲擊危害有關(guān)的期望損失，因此,在各國(guó)的建筑規(guī)范中一般不考慮龍卷風(fēng)荷載，但是對(duì)于重要生命線工程，如核電站設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)。中國(guó)在建核電站大多分布在遼寧、山東、浙江、福建和廣東等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和人口密集的沿海地區(qū)，而這些地區(qū)也是龍卷風(fēng)和臺(tái)風(fēng)等極端風(fēng)易發(fā)地區(qū)[2]，一旦發(fā)生核電站事故往往造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，因此,對(duì)于核電站抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)研究至關(guān)重要。

對(duì)于龍卷風(fēng)的研究可以追溯到19世紀(jì)末，早期的研究主要側(cè)重于龍卷風(fēng)氣象研究和龍卷風(fēng)產(chǎn)生的破壞。之后，學(xué)者們從理論上、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方面對(duì)龍卷風(fēng)進(jìn)行了深入的研究分析。龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型是確定風(fēng)荷載的基礎(chǔ)，風(fēng)致荷載主要包括以下3個(gè)方面[3]：氣流直接作用在結(jié)構(gòu)上引起的風(fēng)壓；龍卷風(fēng)掠過結(jié)構(gòu)物時(shí)大氣壓力場(chǎng)變化引起的壓力；龍卷風(fēng)飛擲物引起的沖擊力。

1 龍卷風(fēng)理論模型研究

龍卷風(fēng)的成因比較復(fù)雜，而一旦形成后，其形態(tài)與運(yùn)動(dòng)是致災(zāi)的關(guān)鍵。在結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)中，首先需要解決的問題是確定龍卷風(fēng)荷載，因此,需要了解龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)及龍卷風(fēng)理論模型。自19世紀(jì)末起，提出過多種龍卷風(fēng)的理論模型，比較有代表性的是: Rankine二維渦模型、Wen三維半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约癇urgers-Rott三維渦模型。由龍卷風(fēng)理論模型給出的風(fēng)速分布，進(jìn)而確定風(fēng)壓力。

1.1 二維Rankine渦模型

在龍卷風(fēng)研究的初期，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)龍卷風(fēng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與Rankine渦模型比較接近，因此，在研究過程中將龍卷風(fēng)簡(jiǎn)化為二維模型。1882年Rankine提出了Rankine渦模型，它是一種二維環(huán)流運(yùn)動(dòng)，在此環(huán)流區(qū)域中圍繞原點(diǎn)整體旋轉(zhuǎn)，其速度正比于離原點(diǎn)的距離；在區(qū)域的外邊，旋度是自由的，其速度反比于離原點(diǎn)的距離。其切向速度分布如(1)式及圖1所示[4]。

(1)

式中:Vr是距渦旋中心為r處的切向風(fēng)速，VR是Rankine渦旋的最大切向風(fēng)速，R是最大切向風(fēng)速對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)半徑，r是風(fēng)場(chǎng)中任一點(diǎn)距龍卷風(fēng)中心的距離。

圖1 Rankine渦速度分布圖Fig.

Hoecker[5-6]研究發(fā)現(xiàn)龍卷風(fēng)333 m高度處的運(yùn)動(dòng)與Rankine渦旋較為接近。Sun等[7]以Navier-Stokes方程和Hoecker提出的旋轉(zhuǎn)風(fēng)方程等為基礎(chǔ)進(jìn)行理論推導(dǎo)，提出了適用于核電站風(fēng)荷載計(jì)算的龍卷風(fēng)通用簡(jiǎn)化模型，Rankine渦模型和Hoecker渦模型是該模型的一種特殊情況。Rankine渦模型具有模型簡(jiǎn)單、有精確解等優(yōu)點(diǎn)，且在一定程度能夠反應(yīng)龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的一般特性，因此，學(xué)者在研究龍卷風(fēng)荷載時(shí)風(fēng)速一般采用二維Rankine渦模型[8-10]。目前有關(guān)對(duì)龍卷風(fēng)荷載的規(guī)定大多是采用二維Rankine模型表示龍卷風(fēng)風(fēng)速分布。盡管Rankine渦模型已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在龍卷風(fēng)研究中，但是該模型是不考慮軸向流運(yùn)動(dòng)的二維流，且不考慮黏性作用，與實(shí)際的三維龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)是不符的。

1.2 三維龍卷風(fēng)理論模型

由于二維Rankine渦模型與實(shí)際龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)不符合， Kuo[11]提出一種三維龍卷風(fēng)理論模型，同時(shí)給出了龍卷風(fēng)風(fēng)速分布。Wen[12]在此基礎(chǔ)上提出了龍卷風(fēng)半經(jīng)驗(yàn)理論模型，規(guī)定渦旋邊界層內(nèi)外風(fēng)速和各個(gè)最大運(yùn)動(dòng)參數(shù)的固定比例。龍卷風(fēng)邊界層厚度表達(dá)為

δ(r′)=δ0[1-exp(-0.5r2)]

(2)

圖2 邊界層厚度曲線Fig.

邊界層以上風(fēng)速如(3)式分布。

(3)

邊界層內(nèi)部風(fēng)速為(4)式分布。

(4)

圖3 三維龍卷風(fēng)風(fēng)速分布圖Fig.

Wen建立的三維龍卷風(fēng)理論模型為以后的龍卷風(fēng)研究提供了很好的理論依據(jù)，Savory等[13]采用Wen模型研究了龍卷風(fēng)作用下輸電塔的響應(yīng)。陳艾榮等[14]利用Wen風(fēng)場(chǎng)半經(jīng)驗(yàn)公式分析了大跨徑斜拉橋在龍卷風(fēng)作用下的響應(yīng)。Wen半經(jīng)驗(yàn)理論風(fēng)場(chǎng)模型對(duì)氣壓降的考慮不夠完善， 而氣壓降對(duì)低矮封閉結(jié)構(gòu)有著巨大作用。湯卓等[15]對(duì)Wen給出的三維龍卷風(fēng)理論模型進(jìn)行了完善補(bǔ)充，得出Wen龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型下的氣壓場(chǎng)控制方程。盡管Wen半經(jīng)驗(yàn)理論模型得到廣泛應(yīng)用，但是該模型規(guī)定渦邊界層內(nèi)外風(fēng)速及各最大運(yùn)動(dòng)參數(shù)的比例固定，隱含了龍卷風(fēng)規(guī)模的縮放關(guān)系及模型的指向性，這與龍卷風(fēng)的多樣性是不符的。

另一種三維龍卷風(fēng)模型基于Burgers渦旋流[16]，這是一種有軸向拉伸的定位軸對(duì)稱渦旋流，Burgers渦考慮了空氣黏性作用，能夠較好的反映出某些常見渦旋流動(dòng)的主要特征[17]。Rott[18]在Burgers渦旋流的理論基礎(chǔ)上考慮科里奧利的柱坐標(biāo)方程提出了Burgers-Rott渦旋。實(shí)際龍卷風(fēng)除保持渦旋運(yùn)動(dòng)外， 在前進(jìn)方向是一種具有梯度風(fēng)特性的平移運(yùn)動(dòng)。然而，學(xué)者們?cè)谘芯魁埦盹L(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用時(shí)鮮有考慮龍卷風(fēng)的平移運(yùn)動(dòng)。因此，甘文舉等[19]運(yùn)用Burgers渦運(yùn)動(dòng)理論及平移風(fēng)速梯度理論建立了渦旋及平移運(yùn)動(dòng)合成下的準(zhǔn)定常三維龍卷風(fēng)模型。Burgers渦的不足之處是假定軸向速度只是z坐標(biāo)的函數(shù)，致使其與另外兩個(gè)方向的速度耦合較弱，這與實(shí)際情況并不一致。

由上述研究可以看出，多年來學(xué)者們對(duì)龍卷風(fēng)理論模型進(jìn)行了大量的研究并取得一系列成果，成為研究結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。但是，實(shí)際的龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)是非常復(fù)雜的，迄今為止人們對(duì)它還不完全了解，現(xiàn)有理論模型與實(shí)際龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)均存在一定的差異。對(duì)于龍卷風(fēng)理論模型仍有待進(jìn)一步完善與驗(yàn)證，特別是龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

2 龍卷風(fēng)作用及風(fēng)致飛射物沖擊荷載研究現(xiàn)狀

現(xiàn)行建筑荷載規(guī)范針對(duì)的是常規(guī)風(fēng)場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，龍卷風(fēng)由于其發(fā)生概率極低、設(shè)防成本過高，并未納入設(shè)計(jì)荷載考慮范圍。但對(duì)于一些特殊結(jié)構(gòu)、特定的地域，如核電站設(shè)施，龍卷風(fēng)可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮應(yīng)對(duì)的。龍卷風(fēng)對(duì)于土建結(jié)構(gòu)的危害通常由風(fēng)和大氣壓力改變這兩個(gè)現(xiàn)象引起，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：空氣移動(dòng)并圍繞著結(jié)構(gòu)所建立起來的風(fēng)壓，相對(duì)大氣壓快速改變引起的負(fù)壓，龍卷風(fēng)飛射物所引起的沖擊。

2.1 龍卷風(fēng)荷載

Simiu等[13]較為系統(tǒng)的闡述了龍卷風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，采用二維Rankine渦為理論模型獲得龍卷風(fēng)風(fēng)速分布，給出了龍卷風(fēng)風(fēng)壓和降壓差計(jì)算方法，對(duì)龍卷風(fēng)飛射物沖擊荷載進(jìn)行了討論，同時(shí)，考慮了龍卷風(fēng)的區(qū)域分布特點(diǎn)，將全美國(guó)劃分為3個(gè)龍卷風(fēng)強(qiáng)度區(qū)，并給出了各個(gè)龍卷風(fēng)強(qiáng)度區(qū)的龍卷風(fēng)最大風(fēng)速，旋轉(zhuǎn)風(fēng)速，移動(dòng)速度和最大旋轉(zhuǎn)風(fēng)速半徑等參數(shù)值。為此后的結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

風(fēng)災(zāi)統(tǒng)計(jì)表明：龍卷風(fēng)作用與建筑結(jié)構(gòu)位置、地面粗糙及龍卷風(fēng)平移速度均有關(guān)。Zhang等[20]利用 PIV 技術(shù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的微小尺度龍卷風(fēng)流場(chǎng)，研究分析了地面粗糙度對(duì)龍卷風(fēng)漩渦的影響及其速度分布，結(jié)果表明，地面粗糙度對(duì)龍卷風(fēng)速度和湍流特性有重要影響。 Sengupta等[21]對(duì)建筑在微風(fēng)暴和龍卷風(fēng)作用下的瞬時(shí)加載進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)微風(fēng)暴的峰值取決于平移速度，高的微風(fēng)暴平移速度下阻力系數(shù)峰值單調(diào)增加；F2級(jí)龍卷風(fēng)作用下的峰值超出美國(guó)荷載規(guī)范規(guī)定值的1.5倍。Yang等[22]對(duì)龍卷風(fēng)作用下高層建筑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明漩渦的演變和湍流結(jié)構(gòu)以及引起的大風(fēng)明顯不同于傳統(tǒng)直線大風(fēng)。Natarajan等[23-24]研究了建筑位置、地面粗糙度和平移速度對(duì)龍卷風(fēng)漩渦及建筑物表面壓力的影響。 Rajasekharan等[25-26]研究了地面粗糙度對(duì)暴露在龍卷風(fēng)作用下建筑物內(nèi)部壓力的影響，結(jié)果表明：地面粗糙度增高，建筑物外部和內(nèi)部壓力系數(shù)都將增大，且外部壓力系數(shù)增大幅度較內(nèi)部壓力系數(shù)大。

中國(guó)對(duì)龍卷風(fēng)荷載研究起步較晚，夏祖諷[27]1987年為應(yīng)對(duì)秦山核電廠核安全結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)的需求，編制了秦山核電站廠核安全結(jié)構(gòu)龍卷風(fēng)荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，于1989年形成了《 三十萬千瓦壓水堆核電廠安全重要土建結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)定(EJ 420—89)》[28]，該規(guī)定對(duì)抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較系統(tǒng)的闡述。并成為之后涉核工程結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。甘文舉等[10]應(yīng)用Rankine渦運(yùn)動(dòng)理論，結(jié)合中國(guó)的龍卷風(fēng)災(zāi)害探討了氣流速度和壓力沿平面的分布規(guī)律，對(duì)建筑物風(fēng)壓力、風(fēng)吸力、扭轉(zhuǎn)的實(shí)用計(jì)算進(jìn)行了探討。其后，進(jìn)一步研究了龍卷風(fēng)近地移動(dòng)梯度對(duì)低層房屋風(fēng)場(chǎng)影響，探討了考慮近地平移風(fēng)剖面分布下的風(fēng)場(chǎng)規(guī)律及其對(duì)低層房屋的作用特點(diǎn)[19]。劉偉等[29]對(duì)房屋進(jìn)行漏斗結(jié)構(gòu)平移模型下的龍卷風(fēng)荷載分析，得出龍卷風(fēng)吸力的大小隨龍卷風(fēng)的高度而變化，對(duì)低矮房屋的作用力最大。白俊峰等[9]進(jìn)行龍卷風(fēng)作用下空間桁架的受力分析，結(jié)合實(shí)例建立龍卷風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模型，提出在龍卷風(fēng)作用下桁架結(jié)構(gòu)的荷載處理方法和加載方法。湯卓等[15]在綜合分析了龍卷風(fēng)襲擊建筑物時(shí)高速風(fēng)沖擊作用和突然氣壓降作用的基礎(chǔ)上，提出了封閉結(jié)構(gòu)龍卷風(fēng)荷載的計(jì)算方法。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)( CFD) 方法對(duì)某大跨穹頂結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬， 得到了結(jié)構(gòu)的壓力系數(shù)以及該結(jié)構(gòu)的龍卷風(fēng)荷載時(shí)程，利用時(shí)程分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行龍卷風(fēng)作用下的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析， 得到了結(jié)構(gòu)在龍卷風(fēng)作用下的位移時(shí)程。其后對(duì)龍卷風(fēng)作用下雙坡屋面風(fēng)壓分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究[30]，獲得了屋面風(fēng)荷載的分布規(guī)律。

現(xiàn)行規(guī)范中龍卷風(fēng)荷載的計(jì)算方法，仍類比于常規(guī)風(fēng)荷載公式，差別僅在于風(fēng)速度取值，而風(fēng)速的確定則是基于二維Rankine渦模型，這與實(shí)際的龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)并不相符。事實(shí)上，龍卷風(fēng)豎向運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用是巨大的，尤其龍卷風(fēng)產(chǎn)生的吸力容易對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大破壞，對(duì)于龍卷風(fēng)吸力及風(fēng)致扭轉(zhuǎn)力對(duì)結(jié)構(gòu)作用的研究還需要進(jìn)一步深入探討。

2.2 風(fēng)致飛射物研究

龍卷風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用除了直接產(chǎn)生的風(fēng)壓外，風(fēng)致飛射物對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊破壞也是不可忽視的。早期的研究?jī)?nèi)容主要關(guān)注風(fēng)致飛射物的沖擊速度、沖擊力曲線以及沖擊軌跡等。Lee[31]對(duì)龍卷風(fēng)飛射物進(jìn)行了普遍性研究，對(duì)飛射物的氣動(dòng)特性進(jìn)行了假定，提出了一種計(jì)算龍卷風(fēng)飛射物速度的程序。Simiu等[3]針對(duì)核電站抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)需求，對(duì)龍卷風(fēng)飛射物的速度分布給出了評(píng)估。在核電站設(shè)計(jì)中，通常認(rèn)為有可能成為飛擲物的物體均為鈍體，譬如厚木板、鋼棒、鋼管、電線桿以及汽車等。Kar[32-33]對(duì)龍卷風(fēng)飛射物沖擊荷載及加載時(shí)間進(jìn)行了研究，提出一種確定飛射物與目標(biāo)面之間的接觸力的方法，獲得速度與加速度時(shí)間歷程曲線；并與全尺寸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較，兩者的結(jié)果吻合較好，此種計(jì)算方法已經(jīng)很有效的應(yīng)用在侵徹計(jì)算中。Stephenson等[34]對(duì)龍卷風(fēng)飛射物進(jìn)行了全尺寸實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)常見的桿、管和棒等飛射物進(jìn)行了18組實(shí)驗(yàn)，獲得的數(shù)據(jù)可以直接用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。Twisdale等[35]對(duì)龍卷風(fēng)飛射物的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析，提出一種可以模擬龍卷風(fēng)飛射物的初始釋放和后續(xù)運(yùn)動(dòng)的方法。Dun等[36]采用一種合成的風(fēng)場(chǎng)模型研究了龍卷風(fēng)飛射物的運(yùn)動(dòng)軌跡，研究表明采用此模型可以統(tǒng)計(jì)分析獲得龍卷風(fēng)飛射物的速度。McDonald等[37]對(duì)常用建筑材料在龍卷風(fēng)飛射物作用下的耐沖擊性能進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)研究了最可能成為龍卷風(fēng)飛射物的板和管的沖擊速度，并確定他們穿過普通建筑墻體所需的速度。Schmidlind等[38]對(duì)車輛在龍卷風(fēng)中的行為進(jìn)行研究，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并依據(jù)龍卷風(fēng)過后建筑物的破壞來評(píng)估車輛在龍卷風(fēng)中的行為。Wills等[39]根據(jù)風(fēng)致飛射物的幾何形狀及空氣動(dòng)力學(xué)的性質(zhì)將風(fēng)致飛射物大致分為3類：塊狀飛射物、板狀飛射物和棒狀飛射物?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及全尺寸實(shí)驗(yàn)結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了最直接的依據(jù)。

研究表明，風(fēng)速超過34 m/s時(shí)就有可能在風(fēng)場(chǎng)內(nèi)物體或建筑物結(jié)構(gòu)中誘生飛射物，大多龍卷風(fēng)都會(huì)產(chǎn)生飛射物并可能造成結(jié)構(gòu)的破壞。常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于設(shè)防成本并不考慮龍卷風(fēng)的影響，但是對(duì)于重要的工程結(jié)構(gòu)，如核電站，由于安全原因需要考慮抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)。現(xiàn)行的核電站抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)一般由龍卷風(fēng)飛射物速度設(shè)計(jì)譜確定飛射物的沖擊性能。美國(guó)核標(biāo)準(zhǔn)RG1.76規(guī)則中給出了龍卷風(fēng)飛射物速度設(shè)計(jì)譜。中國(guó)規(guī)范要求：核電廠在建設(shè)的早期階段廠址選擇的調(diào)研中，需考慮飛射物對(duì)核電站可能的影響；對(duì)于飛射物的質(zhì)量、速度、形狀、尺寸、材料、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、沖擊角度等參數(shù)需要詳細(xì)的調(diào)查[43]。EJ 420—89核標(biāo)準(zhǔn)給出了核電廠龍卷風(fēng)飛射物的設(shè)計(jì)譜。1991年中國(guó)核安全局批準(zhǔn)發(fā)布的《核電廠廠址選擇的極端氣象條件》(HAD101/10)給出風(fēng)致飛射物的暫行規(guī)定[44]：1 800 kg重的汽車，125 kg重的20 cm穿甲炮彈， 2.5 cm實(shí)心鋼球；飛射物的碰撞速度取設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)最大水平風(fēng)速的35%。

這些規(guī)定明顯過于粗糙，依據(jù)也并不充分：核標(biāo)準(zhǔn)中僅給出3種較為單一的鈍體飛射物，而實(shí)際龍卷風(fēng)產(chǎn)生的飛射物是多種多樣的，且對(duì)于飛射物沖擊速度的規(guī)定也較為籠統(tǒng)；飛射物前段形態(tài)及其沖擊破壞效果的影響是顯而易見的，至少應(yīng)該區(qū)分鈍體和尖銳飛射物的不同。

2.3 核電站結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)方法

目前，荷載規(guī)范均不涉及結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)，但在核電站設(shè)計(jì)中，都列入了抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，一般采用如下步驟：

1) 確定結(jié)構(gòu)所在區(qū)域龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。收集區(qū)域內(nèi)龍卷風(fēng)的歷史資料并分析龍卷風(fēng)的時(shí)空分布特征，根據(jù)核標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)方法計(jì)算得出區(qū)域龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)參數(shù)，包括龍卷風(fēng)等級(jí)、最大旋轉(zhuǎn)風(fēng)速半徑以及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速等參數(shù)[43]。

2) 確定龍卷風(fēng)風(fēng)壓。采用調(diào)研獲得的龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速等參數(shù)，根據(jù)有關(guān)核標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算龍卷風(fēng)風(fēng)壓。各國(guó)的計(jì)算方法具體雖有不同，但其思路都是以常規(guī)風(fēng)荷載風(fēng)壓計(jì)算方法為基礎(chǔ)修改相應(yīng)參數(shù)來獲取風(fēng)卷風(fēng)風(fēng)壓。采用二維Rankine渦確定龍卷風(fēng)風(fēng)速分布、風(fēng)壓計(jì)算時(shí)假設(shè)風(fēng)速與相應(yīng)的風(fēng)壓不隨離地面的高度變化。

中國(guó)EJ 420-89標(biāo)準(zhǔn)中給出的建筑物表面龍卷風(fēng)荷載計(jì)算公式如式(5)[28]。

Ww=K1·K2·W0

(5)

式中:W0是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)的風(fēng)壓，基本風(fēng)壓公式通過伯努利方程推導(dǎo)，適用條件是不可壓縮氣體，當(dāng)風(fēng)速不大于 102 m/s時(shí)，此假設(shè)是成立的。值得注意的是空氣密度需要考慮氣流夾雨滴、水汽、沙塵、雜物等修正。對(duì)于龍卷風(fēng)而言，陣風(fēng)系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù)可以假定為 1。K1是尺寸系數(shù)，設(shè)計(jì)風(fēng)速由最大風(fēng)速?zèng)Q定，為了得出設(shè)計(jì)所需要的平均壓力，在結(jié)構(gòu)的風(fēng)載考慮中可計(jì)入小于 1 的結(jié)構(gòu)尺寸系數(shù),以適當(dāng)考慮實(shí)際龍卷風(fēng)風(fēng)壓分布的不均勻性。K2是風(fēng)荷載體型系數(shù)，由于龍卷風(fēng)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)速的分布近似地為Rankine漩渦所控制，風(fēng)載的結(jié)構(gòu)體型系數(shù)可參考常規(guī)風(fēng)荷載規(guī)范。

3) 確定龍卷風(fēng)降壓差。美國(guó)和中國(guó)核標(biāo)準(zhǔn)都是以Wen龍卷風(fēng)半經(jīng)驗(yàn)理論模型為基礎(chǔ)，獲得龍卷風(fēng)降壓差[4,44]。EJ 420-89標(biāo)準(zhǔn)中采用一個(gè)近似為梯形的階梯函數(shù)來考慮作用在屋頂和墻體上的差壓荷載。

4) 確定飛射物的沖擊性能。根據(jù)確定的龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)參數(shù)，參照相關(guān)核標(biāo)準(zhǔn)飛射物設(shè)計(jì)速度譜，確定飛射物的材質(zhì)、形狀、質(zhì)量、速度等參數(shù)。

5) 荷載組合。對(duì)于飛射物沖擊作用，先將沖擊動(dòng)力荷載等效成靜態(tài)力,然后與其他靜荷載進(jìn)行組合，將組合荷載施加在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

以上基于靜態(tài)計(jì)算的抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)方法，雖然具有簡(jiǎn)便、實(shí)用的特點(diǎn)，但在合理、準(zhǔn)確性方面仍存在明顯不足：依據(jù)二維Rankine渦確定龍卷風(fēng)荷載，無法考慮龍卷風(fēng)軸向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的軸吸力作用，而龍卷風(fēng)產(chǎn)生的軸向吸力往往對(duì)房屋屋頂造成嚴(yán)重的破壞；沒有考慮龍卷風(fēng)的平移運(yùn)動(dòng)和風(fēng)致扭轉(zhuǎn)作用對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，龍卷風(fēng)的平移運(yùn)動(dòng)會(huì)增強(qiáng)風(fēng)吸力作用，而風(fēng)致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也是導(dǎo)致房屋產(chǎn)生破壞的重要因素；龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)是非常復(fù)雜的渦旋，龍卷風(fēng)降壓差與常規(guī)風(fēng)降壓差有所不同，采用近似為梯形的階梯函數(shù)來考慮龍卷風(fēng)降壓差是否準(zhǔn)確需要進(jìn)一步驗(yàn)證；采用基于靜態(tài)計(jì)算的方法不能正確反映風(fēng)致飛射物沖擊作用的短時(shí)瞬變特性和響應(yīng)局部化特征。

3 核電站結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)研究存在的問題與發(fā)展趨勢(shì)

由上述研究現(xiàn)狀看出，學(xué)者們對(duì)龍卷風(fēng)的場(chǎng)及風(fēng)致荷載的研究從最早采用災(zāi)后結(jié)果實(shí)測(cè)到理論研究，從二維理論模型逐漸推廣到各種三維理論模型研究，再到風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和有限元方法數(shù)值模擬研究，均取得了一定成果，為結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)提供了有力的理論依據(jù)。但由于龍卷風(fēng)發(fā)生地域有限、發(fā)生概率極低、設(shè)防成本過高，直接導(dǎo)致了研究動(dòng)力不足，相關(guān)理論無論其完備性還是深入程度都存在欠缺或不足。面向特種結(jié)構(gòu)的設(shè)防需求，以下問題值得關(guān)注也有待解決。

1) 盡管學(xué)者們對(duì)于龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的研究投入了大量的精力，但是由于龍卷風(fēng)的作用范圍小，生消快，其發(fā)生時(shí)間和位置難以確定等特點(diǎn)，人們對(duì)其了解得不透徹，已有的各類龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)理論模型也都需要進(jìn)一步的驗(yàn)證與完善。

2) 現(xiàn)行龍卷風(fēng)風(fēng)壓荷載的確定方法仍有不足之處，首先Rankine渦理論模型沒有考慮渦旋軸向運(yùn)動(dòng)，這與現(xiàn)實(shí)中的龍卷風(fēng)運(yùn)動(dòng)不符，因此，無法考慮龍卷風(fēng)產(chǎn)生的軸向吸力，而龍卷風(fēng)吸力可能對(duì)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞，尤其底層房屋屋頂可能因?yàn)辇埦盹L(fēng)吸力而被掀翻。其次，龍卷風(fēng)風(fēng)壓是在常規(guī)風(fēng)荷載基礎(chǔ)上加以修正而獲得，體型系數(shù)、尺寸系數(shù)等修正參數(shù)有待精確。結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)并未考慮龍卷風(fēng)運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)性和運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這些方面仍需深入研究。

3) 結(jié)構(gòu)因風(fēng)致飛射物的損害是一系列隨機(jī)事件，且飛射物進(jìn)入風(fēng)場(chǎng)的方式也不同，這造成確定風(fēng)致飛射物的沖擊性能上的困難。故而工程上采用標(biāo)準(zhǔn)的龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)譜確定風(fēng)致飛射物的沖擊性能。然而設(shè)計(jì)譜中的風(fēng)致飛射物種類有限，并不能全面覆蓋龍卷風(fēng)運(yùn)動(dòng)過程中可能發(fā)生的各類突發(fā)狀況。如現(xiàn)行規(guī)定中僅給出鋼管、汽車和2.5 cm實(shí)心鋼球3類飛射物的設(shè)計(jì)譜，而現(xiàn)實(shí)龍卷風(fēng)可能產(chǎn)生角鋼、鋼板及建筑受龍卷風(fēng)襲擊自身產(chǎn)生的飛射物等。角鋼等尖銳飛射物對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊性能是否可以參照設(shè)計(jì)譜給出的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)是個(gè)開放性問題；不同種類飛射物對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊持時(shí)有所不同，然而規(guī)定中并未涉及此類問題。因此對(duì)于各類典型風(fēng)致飛射物的沖擊性能研究還有待完善。

4) 目前對(duì)于風(fēng)致飛射物的研究主要集中在飛射物性能和其對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的沖擊影響研究，一般不考慮飛射物本身的剛度特性以及與靶體的耦合效應(yīng)，這方面有待擴(kuò)展。

5) 現(xiàn)行規(guī)范對(duì)風(fēng)致飛射物的沖擊荷載設(shè)計(jì)方法為擬靜力方法，將動(dòng)力荷載簡(jiǎn)化為靜力荷載施加于結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，該分析方法存在計(jì)算不夠準(zhǔn)確、不能正確反應(yīng)結(jié)構(gòu)破壞的局部效應(yīng)等問題。飛射物的形狀、飛射角度、飛射物材質(zhì)剛度等因素都可能影響結(jié)構(gòu)破壞的局部效應(yīng)，而采用擬靜力方法無法體現(xiàn)其影響結(jié)果。現(xiàn)行抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)中采用公式估算飛射物侵徹深度來考慮結(jié)構(gòu)防止飛射物穿透，驗(yàn)算可靠性有待研究。因此，對(duì)于采用風(fēng)致飛射物的沖擊力曲線進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析或者用有限元進(jìn)行風(fēng)致飛射物沖擊結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析值得研究。

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(編輯 胡玲)

Literature review of tornado action and related issues of nuclear power plants under extreme wind load

ZhangWenna,QianJiang

(State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, P.R.China)

Generally, the cost of tornado-resistant design of structures is much higher than expected loss of wind-induced disaster. Therefore, load codes for the design of building structures generally take no consideration of tornado. However, some important engineering facilities with extreme high security requirements, like nuclear power plants, need to consider possible tornado-induced wind loads. This paper starts with the state-of-art of tornado models, then, the determination of direct wind pressure on structures, indirect action of tornado-generated missiles and the tornado-resistant design of special engineering structure like nuclear power plant, are summarized. Then it points out the necessity of calculating the tornado-induced wind loads by considering axial wind suction, translational motion of wind field and torsional response. The effect of the relative stiffness and end form of projectiles should be taken into account in the impact load of tornado-generated missiles.

tornado-induced wind loads; tornado-generated missiles; impact response; tornado-resistant design

2016-03-09

科技部國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(SLDRCE15-B-06)；國(guó)家自然科學(xué)基金(91315301-4)

張文娜(1988-)，女，博士生，主要從事結(jié)構(gòu)抗沖擊性能研究，(E-mail)88zwn@163.com。 錢江(通信作者)，男，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)jqian@#edu.cn。

Foundation item：Foundation of State Key Laboratory from the Ministry of Science and Technology(No.SLDRCE15-B-06);Major Research Plan of the National Natural Science Foundation of China(No.91315301-4)

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.06.016

TU312.1

A

1674-4764(2016)06-0121-08

Received:2016-03-09

Author brief：Zhang Wenna (1988- ), PhD candidate, main research interest: impact resistance of structure, (E-mail) 88zwn@163.com. Qian Jiang(corresponding author),professor, doctoral supervisor, (E-mail)jqian@#edu.cn.