下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭可靠度評(píng)估

李正良，王成，王濤?，方智遠(yuǎn)

（1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.風(fēng)工程及風(fēng)資源利用重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)），重慶 400045；3.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)），重慶 400045；4.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南洛陽 471023）

直立鎖縫屋面系統(tǒng)是將相鄰屋面板的卷邊借助專用設(shè)備與支座立板進(jìn)行咬合，然后連接到支承結(jié)構(gòu)的屋面系統(tǒng).憑借其自重輕、易加工、耐腐蝕、防水性能優(yōu)異等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于大跨建筑的屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)中.然而作為風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，直立鎖縫屋面系統(tǒng)在極端風(fēng)情況下的風(fēng)揭損毀問題較為突出［1］.盡管已有針對(duì)該屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)揭試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬［2-6］，但對(duì)其抗風(fēng)揭可靠度的研究卻較少.此外，屋面的抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要基于普通的大氣邊界層風(fēng)［7］，而非臺(tái)風(fēng)地區(qū)的極值風(fēng)速多由雷暴天氣中產(chǎn)生的下?lián)舯┝饕穑?-10］，進(jìn)而造成直立鎖縫屋面系統(tǒng)風(fēng)揭破壞.為了避免風(fēng)揭破壞的發(fā)生，建立一套適用于下?lián)舯┝髯饔孟碌闹绷㈡i縫屋面系統(tǒng)可靠度評(píng)估方法以用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的工程實(shí)用意義.

進(jìn)行下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭可靠度評(píng)估，需首先確定屋面的風(fēng)荷載大小和分布.對(duì)此，學(xué)者們圍繞下?lián)舯┝魑菝骘L(fēng)荷載特性開展了一系列試驗(yàn)以及數(shù)值模擬研究.Zhang等［11-12］通過風(fēng)洞試驗(yàn)分別研究了下?lián)舯┝髯饔孟碌桶ㄖ约案邔咏ㄖ谋砻鎵毫Ψ植继卣?；Jesson 等［13］利用物理試驗(yàn)分析了下?lián)舯┝鲗?duì)建筑物表面的瞬時(shí)風(fēng)壓分布的影響.由于風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用昂貴且大多進(jìn)行縮尺試驗(yàn)，目前多數(shù)采用數(shù)值模擬來替代風(fēng)洞試驗(yàn)開展下?lián)舯┝鞯难芯?Sengupta 等［14］采用不同湍流模型來模擬下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)，通過和試驗(yàn)對(duì)比得出了適用于下?lián)舯┝鲾?shù)值模擬的最佳湍流模型；汪之松等［15］基于大渦模擬方法分析了低矮建筑屋面的風(fēng)荷載特性及建筑物表面風(fēng)壓分布規(guī)律；周晅毅等［16］對(duì)低矮建筑標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行了大渦模擬研究，模擬得到的平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓同風(fēng)洞試驗(yàn)、場(chǎng)地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好.從以上研究可知，下?lián)舯┝髯饔孟陆ㄖ锏娘L(fēng)荷載特性可通過風(fēng)洞試驗(yàn)和大渦模擬得到，并且相關(guān)研究成果較為豐富，本文亦可通過大渦模擬來確定直立鎖縫屋面系統(tǒng)風(fēng)荷載特性.

獲得屋面風(fēng)荷載的大小和分布后，結(jié)合相應(yīng)的可靠度分析方法即可進(jìn)行下?lián)舯┝髯饔孟碌闹绷㈡i縫屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭可靠度評(píng)估.基于拉丁超立方抽樣［17］的Monte Carlo 法（LHS-MCS）可兼顧計(jì)算精度與效率，能以較小的樣本量反映總體的變異規(guī)律，且在各類工程結(jié)構(gòu)可靠度問題中應(yīng)用較為成熟［18-20］，將該方法應(yīng)用于抗風(fēng)揭可靠度評(píng)估不失為一種可行的思路.而采用LHS-MCS法進(jìn)行下?lián)舯┝髯饔孟碌闹绷㈡i縫屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭可靠度評(píng)估時(shí)，關(guān)鍵在于獲得該屋面系統(tǒng)的隨機(jī)響應(yīng)，其通常包括極值分布法［21-22］和最不利位置分析法兩種思路.對(duì)于前者，首先通過大渦模擬得到直立鎖縫屋面系統(tǒng)的風(fēng)荷載分布和大小，隨后建立整個(gè)直立鎖縫屋面系統(tǒng)的仿真模型，將大渦模擬得到的風(fēng)荷載施加到直立鎖縫屋面系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的區(qū)域以計(jì)算不同區(qū)域的響應(yīng)值；然后，通過極值分布法［21-22］計(jì)算極值響應(yīng)的大小.對(duì)于后者，可從最不利位置角度分析，通過大渦模擬得出整個(gè)直立鎖縫屋面系統(tǒng)范圍內(nèi)極值風(fēng)荷載大小以及分布位置，選取該屋面結(jié)構(gòu)中風(fēng)壓最大且最易破壞的位置建立局部模型并將極值風(fēng)荷載加載到局部模型上，通過對(duì)最不利位置進(jìn)行響應(yīng)分析來表征整個(gè)直立鎖縫屋面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng).上述兩種思路均可獲得滿足要求的下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)隨機(jī)響應(yīng)以用于后續(xù)的可靠度評(píng)估，但極值分布法需對(duì)整個(gè)直立鎖縫屋面系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，而直立鎖縫屋面系統(tǒng)整體尺寸過大，加上鎖縫處細(xì)部尺寸又精確到毫米級(jí)，若建立整個(gè)屋面的仿真模型對(duì)計(jì)算機(jī)要求過高且計(jì)算成本頗為昂貴；相對(duì)而言，最不利位置分析法從局部模型出發(fā)，通過合理的力學(xué)模型簡化，可兼顧計(jì)算效率，是更為可行的途徑.

為此，本文以典型工程為例，通過LES 方法分析該屋面在下?lián)舯┝髯饔孟碌娘L(fēng)荷載特性，隨后選取屋面最不利位置建立局部仿真模型并推導(dǎo)相應(yīng)的極限狀態(tài)函數(shù)，最后結(jié)合LHS-MCS 法提出了下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭可靠度評(píng)估方法，以期為下?lián)舯┝髯饔孟碌闹绷㈡i縫屋面系統(tǒng)可靠度計(jì)算提供依據(jù).

1 下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)風(fēng)荷載大渦模擬

1.1 數(shù)值模擬概況

本文以西北片區(qū)某特高壓換流站閥廳為對(duì)象，建筑尺寸為60 m×36 m×24 m，地貌類型為B 類，屋面形式為雙坡屋面，坡度i=0.1，如圖1 所示.采用流體軟件FLUENT 對(duì)該建筑進(jìn)行下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載大渦模擬，模型幾何縮尺比為1∶500，出流直徑Djet=0.6 m，出流高度Hjet=1.2 m.邊界條件方面，射流噴口采用速度入口邊界，出流速度vjet=75 m/s，湍流強(qiáng)度為1%；出流面采用壓力出口邊界，湍流強(qiáng)度為1%；地面以及建筑物表面采用無滑移壁面，計(jì)算域和邊界條件如圖2所示.

圖1 換流站閥廳示意圖Fig.1 Schematic diagram of converter station valve hall

圖2 風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域剖面圖Fig.2 Profile of wind field calculation domain

流場(chǎng)模型采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，風(fēng)暴中心及建筑物周圍采用O 形網(wǎng)格加密；近壁面區(qū)域采用增強(qiáng)壁面處理方式；采用SIMPLEC 算法進(jìn)行壓力與速度場(chǎng)耦合，采用二階精度對(duì)速度壓力耦合方程進(jìn)行求解；LES 模擬共設(shè)置3 種工況，分別考慮0°、45°和90°風(fēng)向角對(duì)閥廳屋面風(fēng)壓的影響.

LES模擬過程參照文獻(xiàn)［15］，數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，包括網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證、平均風(fēng)壓驗(yàn)證以及流場(chǎng)特性驗(yàn)證，在文獻(xiàn)［15］中已予以證明.LES 模擬得到的r=1.0Djet徑向位置處的豎向風(fēng)剖面同已有研究對(duì)比示意圖如圖3所示，其中zmax表示最大水平風(fēng)速對(duì)應(yīng)的豎向高度，umax表示徑向水平風(fēng)速最大值.由圖3可知，LES模擬結(jié)果具有下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)豎向風(fēng)剖面的主要特征，并與實(shí)測(cè)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，可有效模擬下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng).LES模擬得到的平均風(fēng)壓系數(shù)同試驗(yàn)［7］對(duì)比示意圖如圖4所示，數(shù)值模擬得到的平均風(fēng)壓系數(shù)和試驗(yàn)基本吻合，能較好地模擬閥廳表面風(fēng)壓特性.

圖3 豎向風(fēng)剖面對(duì)比Fig.3 Comparison of vertical wind profiles

圖4 平均風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比Fig.4 Comparison of mean wind pressure coefficients

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

對(duì)不同風(fēng)向角進(jìn)行LES 模擬得出，當(dāng)風(fēng)向角為45°時(shí)，迎風(fēng)屋面角部發(fā)生氣流分離并產(chǎn)生錐形渦，使得在該區(qū)域出現(xiàn)最大負(fù)壓，對(duì)應(yīng)的極值風(fēng)壓系數(shù)為-1.33，閥廳表面極值風(fēng)壓系數(shù)分布如圖5所示.

圖5 45°風(fēng)向角下的極值風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.5 Distribution of extreme wind pressure coefficients under 45°wind direction

根據(jù)風(fēng)壓系數(shù)Cpi定義，得到建筑物某一點(diǎn)的風(fēng)壓pi為：

式中：ρ為空氣密度，取值為1.225 kg/m3；v為下?lián)舯┝鲊娍谏淞魉俣龋鶕?jù)文獻(xiàn)［8］取下?lián)舯┝髯畲箫L(fēng)速v=75 m/s；結(jié)合式（1）計(jì)算得出，本文最不利風(fēng)向角作用下的極值風(fēng)荷載為pmax=-1.33×0.5×1.225 kg/m3×752（m/s）2=-4.582 kPa.

2 下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭可靠度評(píng)估

2.1 隨機(jī)參數(shù)的確定

下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)性能受多種隨機(jī)變量的影響，主要分為結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性和風(fēng)荷載的隨機(jī)性.本文結(jié)構(gòu)隨機(jī)變量和風(fēng)荷載隨機(jī)變量根據(jù)文獻(xiàn)［23］選取，確保模擬在合理波動(dòng)范圍內(nèi).對(duì)于結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性，本文主要考慮彈性模量E、泊松比ν、屈服強(qiáng)度fy和摩擦因數(shù)μ共4 個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)為隨機(jī)參數(shù).根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068—2018）［24］中第6.1.4 條規(guī)定，材料強(qiáng)度的概率分布宜采用正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布；第6.1.5條規(guī)定材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值可取其概率分布的0.05分位值確定，材料彈性模量、泊松比等物理性能的標(biāo)準(zhǔn)值可取其概率分布的0.5 分位值確定.因此，彈性模量E、泊松比ν、屈服強(qiáng)度fy可相應(yīng)給出［25-26］；直立鎖縫屋面系統(tǒng)由于采用人工鎖縫，人為因素可能影響鎖縫處的松緊程度，因此引入屋面和支座立板間的摩擦因數(shù)μ作為隨機(jī)變量來考慮人為因素的影響，其參數(shù)及其概率分布參考文獻(xiàn)［27］.

對(duì)于下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載的隨機(jī)性，由于下?lián)舯┝鲗?shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少，其風(fēng)荷載分布類型暫未有定論.本文旨在建立下?lián)舯┝飨碌闹绷㈡i縫屋面系統(tǒng)可靠度評(píng)估框架，暫將下?lián)舯┝鲗?duì)應(yīng)的極值風(fēng)荷載按極值I型分布考慮［28-29］，其風(fēng)荷載均值μw=0.999×pi=0.999×4.582 kPa=4.577 kPa，變異系數(shù)α取0.193.最終，下?lián)舯┝髯饔孟碌闹绷㈡i縫屋面系統(tǒng)的隨機(jī)變量及其概率分布見表1.

表1 隨機(jī)變量及其概率分布Tab.1 Random variables and corresponding probability distribution

2.2 下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)失效模式及功能函數(shù)推導(dǎo)

2.2.1 仿真模型的建立

直立鎖縫屋面系統(tǒng)構(gòu)造及受力機(jī)理如圖6 所示，下?lián)舯┝髯饔孟挛菝嬗L(fēng)角部區(qū)域負(fù)壓最大，對(duì)應(yīng)圖6（c）閥廳中橢圓加密區(qū)域；該屋面形式采用360°直立鎖縫屋面系統(tǒng)，主要由屋面板、直立支座、附檁條和主檁條相互連接形成受力體系［圖6（a）］；屋面在下?lián)舯┝髯饔孟滦纬韶?fù)壓，相鄰屋面板通過兩側(cè)卷邊和支座立板進(jìn)行咬合以抵抗屋面負(fù)壓，支座通過附檁條相連傳遞屋面板傳來的反力［見圖6（b）］.

為了兼顧計(jì)算效率，通過最不利位置分析法來評(píng)估整個(gè)屋面系統(tǒng)的可靠度水平.采用通用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA 對(duì)圖6（a）中橢圓區(qū)域建立局部仿真模型，對(duì)該局部模型進(jìn)行可靠度分析來評(píng)估整個(gè)屋面的可靠度指標(biāo).局部模型縱向共四跨，跨度為1 200 mm；屋面板橫向沿中部切開，并設(shè)置對(duì)稱邊界條件；屋面板、支座和檁條采用SHELL163 單元模擬，采用映射方法劃分網(wǎng)格，仿真模型如圖7 所示；材料選用Q355鋼材，本構(gòu)關(guān)系為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型；邊界條件方面，如圖8 所示，支座和檁條通過節(jié)點(diǎn)耦合方式連接，鎖縫處采用自動(dòng)通用接觸（Automatic general contact）來自動(dòng)識(shí)別部件間的接觸效應(yīng)［2］；采用逐級(jí)加載的方式，對(duì)屋面板施加豎直向上的均布力，直至結(jié)構(gòu)失效.

圖6 閥廳直立鎖縫屋面系統(tǒng)構(gòu)造及受力機(jī)理Fig.6 Structure and force mechanism of standing seam roof system of valve hall

圖7 直立鎖縫屋面系統(tǒng)局部仿真模型Fig.7 Local simulation model of standing seam roof system

圖8 仿真模型荷載及邊界條件Fig.8 Load and boundary conditions of simulation model

2.2.2 失效模式及功能函數(shù)推導(dǎo)

仿真模擬結(jié)果表明，在下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載作用下，直立鎖縫屋面系統(tǒng)將發(fā)生脫扣破壞，并且其承載力及其破壞形式與已有研究以及工程實(shí)際相符［2］，可用于后續(xù)分析.屋面在下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載作用下的變形狀態(tài)如圖9 所示，下?lián)舯┝髯饔迷诮Y(jié)構(gòu)上，大肋邊首先產(chǎn)生橫向位移［圖9（b）］，位移增大到一定值時(shí)，大肋邊脫離鎖縫頂部，由底部咬合承力［圖9（c）］，隨著下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載的繼續(xù)增大，最終大肋邊被吹起并逐漸與支座脫離［圖9（d）］.當(dāng)大肋邊完全脫開時(shí)表示直立鎖縫屋面系統(tǒng)發(fā)生了風(fēng)揭破壞，因此可通過大肋邊初始和破壞時(shí)的相對(duì)位移來量化直立鎖縫屋面系統(tǒng)的破壞過程.對(duì)比大肋邊初始和破壞狀態(tài)，得出大肋邊簡化模型如圖10所示.

圖9 鎖縫處變形情況Fig.9 Deformation at the seam

圖10 脫扣破壞簡化模型Fig.10 Simplified model of trip failure

綜合式（5）和式（6），直立鎖縫屋面系統(tǒng)脫扣破壞的極限狀態(tài)函數(shù)為：

2.3 基于LHS-MCS 的下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭可靠度分析

拉丁超立方抽樣（LHS）相比Monte Carlo 法所需樣本更少且抽樣效率更高［17］.將隨機(jī)變量隨機(jī)分成N個(gè)互不重疊的等概率區(qū)間，采用隨機(jī)生成的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)的樣本矩陣ZN×n來表示樣本點(diǎn)的排序，然后用一個(gè)整數(shù)矩陣RN×n來記錄所有標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)樣本點(diǎn)的排序信息，可得到任意區(qū)間中LHS 樣本點(diǎn)的累積分布函數(shù)值Fξ（ξij）為：

式中：Rand（0，1）表示［0，1］區(qū)間內(nèi)任一均勻分布的隨機(jī)數(shù)；Rij表示第j變量第i次抽樣取值在該變量所有N個(gè)樣本點(diǎn)中的排序.

設(shè)Θ=｛E，ν，fy，μ，w｝，根據(jù)等概率變換方法可得到獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)空間中的LHS樣本點(diǎn)Θij：

式中：Φ-1（·）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布累積分布的逆函數(shù)，至此可獲得N組LHS樣本點(diǎn)集合ΘN×n.

通過LHS 技術(shù)獲取樣本點(diǎn)后，結(jié)合Monte Carlo法［30］可求解結(jié)構(gòu)的失效概率Pf和可靠指標(biāo)β，其表達(dá)式如下：

3 下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭可靠度評(píng)估基本步驟

結(jié)合LES 模擬、直立鎖縫屋面系統(tǒng)失效準(zhǔn)則以及LHS-MCS 法可實(shí)現(xiàn)下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭可靠度評(píng)估，其具體流程如圖11 所示，計(jì)算步驟如下：

圖11 下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)可靠度分析流程Fig.11 The reliability analysis process of the standing seam roof system under downburst

步驟1：采用LES 模擬，分析下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)風(fēng)荷載特性，以不同風(fēng)向角為工況，確定屋面極值風(fēng)荷載大小及其分布位置.

步驟2：確定下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)隨機(jī)變量及其分布類型，其中包括結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性和下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載的隨機(jī)性.

步驟3：結(jié)合工程中屋面常見破壞類型，選取下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)風(fēng)荷載最大且最易破壞的位置建立局部有限元模型.

步驟4：根據(jù)局部有限元模型結(jié)果，推導(dǎo)下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)失效準(zhǔn)則，并給出下?lián)舯┝髯饔孟略撐菝嫦到y(tǒng)的極限狀態(tài)函數(shù)G（Θ）.

步驟5：基于LHS技術(shù)，結(jié)合式（8）和式（9），在下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)隨機(jī)變量設(shè)計(jì)空間中生成N個(gè)初始樣本點(diǎn)，形成隨機(jī)變量集合Θ，編制相應(yīng)程序?qū)崿F(xiàn)隨機(jī)變量的替換，形成N個(gè)仿真計(jì)算文件（K文件）.

步驟6：調(diào)用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA 批量計(jì)算K 文件，讀取所需隨機(jī)響應(yīng)信息；根據(jù)隨機(jī)響應(yīng)信息，結(jié)合式（7）計(jì)算下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)的極限狀態(tài)函數(shù)值G（Θ）.

步驟7：通過式（10），結(jié)合Monte Carlo 隨機(jī)模擬法計(jì)算下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)失效概率Pf及可靠指標(biāo)β.

值得指出的是，本文方法主要誤差包括LES 大渦模擬誤差、屋面仿真誤差以及可靠度方法誤差三個(gè)方面，其中LES 大渦模擬和屋面仿真模型分別根據(jù)文獻(xiàn)［15］和文獻(xiàn)［2］驗(yàn)證了模型的正確性，其誤差均在可接受范圍內(nèi)；本文所采用可靠度方法得到了頗為廣泛的應(yīng)用且研究表明其具有頗高的計(jì)算精度［18-20］，該方法在直立鎖縫屋面系統(tǒng)的適用性將在后續(xù)算例作進(jìn)一步驗(yàn)證.

另外，本文提出的可靠度評(píng)估方法除了適用于直立鎖縫屋面系統(tǒng)以外，亦可拓展到其他類型的屋面體系.對(duì)于其他類型的屋面，只需要給出該屋面類型的失效模式和對(duì)應(yīng)的極限狀態(tài)函數(shù)，隨后結(jié)合本文方法即可進(jìn)行屋面可靠度評(píng)估.

4 結(jié)果分析

首先對(duì)閥廳直立鎖縫屋面系統(tǒng)進(jìn)行下?lián)舯┝髯饔孟嘛L(fēng)荷載大渦模擬，獲得該系統(tǒng)下?lián)舯┝鳂O值風(fēng)荷載為4.582 kPa；隨后按表1 確定結(jié)構(gòu)隨機(jī)變量以及下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載隨機(jī)變量，采用式（7）確定直立鎖縫屋面系統(tǒng)極限狀態(tài)函數(shù)，其中l(wèi)1+l3+2l4按仿真模型實(shí)際尺寸選取為8 mm；進(jìn)而，結(jié)合式（8）～式（9）抽取1 000 個(gè)下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)樣本點(diǎn)，最后通過式（10）計(jì)算下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)的失效概率Pf和可靠指標(biāo)β，計(jì)算結(jié)果如表2 所示.同時(shí)，采用105個(gè)樣本點(diǎn)的Monte Carlo 法結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)解，其抽樣次數(shù)按50/Pf～100/Pf確定［31］，相關(guān)計(jì)算結(jié)果亦列于表2中.

表2 下?lián)舯┝髯饔孟驴煽慷扔?jì)算結(jié)果Tab.2 Reliability calculation results under downburst

由表2 可知，通過LHS-MCS 法計(jì)算的下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)可靠指標(biāo)β=3.090 2，相比MCS 計(jì)算的可靠指標(biāo)β=3.148 7，可靠指標(biāo)誤差僅為MCS 法的1.86%，計(jì)算次數(shù)僅為MCS 法的1%，說明本文所采用的可靠度方法，即LHS-MCS 法能較為準(zhǔn)確且高效地進(jìn)行下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭可靠度評(píng)估.此外，我國《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068—2018）［24］第3.2.6 條規(guī)定：結(jié)構(gòu)構(gòu)件持久設(shè)計(jì)狀況承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的可靠指標(biāo)β不應(yīng)小于表3規(guī)定，本文可參照該規(guī)范評(píng)估直立鎖縫屋面系統(tǒng)的安全水平.其中脫扣破壞屬于延性破壞，閥廳作為換流站中的重要建筑物，安全等級(jí)屬于一級(jí)，按表3 要求可靠指標(biāo)β不應(yīng)小于3.7.而本文計(jì)算得出下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)可靠指標(biāo)β=3.090 2，僅達(dá)到了規(guī)范要求的第三級(jí)安全水準(zhǔn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的一級(jí)水準(zhǔn)，說明直立鎖縫屋面系統(tǒng)遭遇下?lián)舯┝鲿r(shí)有偏于不安全的可能性.因此，對(duì)于下?lián)舯┝鞫喟l(fā)地區(qū)的重要建筑物而言，本文建議進(jìn)行直立鎖縫屋面系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮下?lián)舯┝鞯挠绊?

表3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)［24］Tab.3 Reliability index of the ultimate state of load-bearing capacity of structural members［24］

為了更直觀地說明下?lián)舯┝鲗?duì)直立鎖縫屋面系統(tǒng)的影響，亦計(jì)算常態(tài)風(fēng)作用下的直立鎖縫屋面系統(tǒng)可靠指標(biāo)作為對(duì)比.其中，常態(tài)風(fēng)的結(jié)構(gòu)隨機(jī)參數(shù)見表2，而風(fēng)荷載隨機(jī)參數(shù)計(jì)算如下：該閥廳所在片區(qū)基本風(fēng)壓范圍為0.35～0.75 kN/m2［32］，本文取該片區(qū)最大基本風(fēng)壓0.75 kN/m2進(jìn)行對(duì)比研究；進(jìn)而，可計(jì)算對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為［32］：wk=βgz μsi μzw0=1.61×2.0×1.30×0.75kN/m2=3.14 kPa；常態(tài)風(fēng)對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載隨機(jī)參數(shù)按極值I 型分布考慮［28-29］，其中均值μw=0.999×wk=0.999×3.14 kPa=3.137 kPa，變異系數(shù)α=0.193.獲得常態(tài)風(fēng)的風(fēng)荷載隨機(jī)參數(shù)后，分析模型以及評(píng)估方法均同下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)可靠度分析一致，因此可計(jì)算常態(tài)風(fēng)作用下的直立鎖縫屋面系統(tǒng)的失效概率Pf和可靠指標(biāo)β并與下?lián)舯┝餍纬蓪?duì)比，其計(jì)算結(jié)果如表4所示.

由表4 可知，常態(tài)風(fēng)作用下直立鎖縫屋面系統(tǒng)失效概率Pf為0，可靠指標(biāo)β為無窮大，說明直立鎖縫屋面系統(tǒng)在常態(tài)風(fēng)作用下具有良好的抗風(fēng)性能；對(duì)比表3和表4可知，下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)失效概率Pf為1×10-3，可靠指標(biāo)β為3.090 2，低于常態(tài)風(fēng)作用下的可靠指標(biāo)，表明下?lián)舯┝飨啾瘸B(tài)風(fēng)更易造成結(jié)構(gòu)破壞.

常態(tài)風(fēng)和下?lián)舯┝髯饔孟碌母怕拭芏群瘮?shù)和累積分布函數(shù)如圖12 所示.下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)概率密度函數(shù)曲線存在一定的失效域，而常態(tài)風(fēng)極限狀態(tài)函數(shù)值均大于0，處于安全范圍內(nèi).通過累積分布函數(shù)可知，下?lián)舯┝鞯挠绊懡瓶煽醋龀B(tài)風(fēng)累積分布曲線整體沿坐標(biāo)軸負(fù)向偏移，同時(shí)下?lián)舯┝髯饔孟聵O限狀態(tài)函數(shù)小于0 的概率為1×10-3.圖13 給出了常態(tài)風(fēng)和下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)樣本點(diǎn)及極限狀態(tài)函數(shù)響應(yīng)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，常態(tài)風(fēng)極限狀態(tài)函數(shù)值主要分布在2.0～6.5 mm 范圍內(nèi)，而下?lián)舯┝髦饕植荚?～2.5 mm 內(nèi)，其響應(yīng)大小相對(duì)常態(tài)風(fēng)整體偏低，說明相對(duì)常態(tài)風(fēng)而言，下?lián)舯┝鲗?duì)直立鎖縫屋面系統(tǒng)的破壞更大，應(yīng)予以重視.

圖12 概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)Fig.12 Probability density function and cumulative distribution function

圖13 常態(tài)風(fēng)和下?lián)舯┝鳂颖军c(diǎn)及響應(yīng)值Fig.13 Sample points and response values of conventional wind and downburst

5 結(jié)論

本文提出了下?lián)舯┝髯饔孟碌闹绷㈡i縫屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭可靠度評(píng)估方法，并以典型工程為例進(jìn)行了可靠度評(píng)估，得出主要結(jié)論如下：

1）以不同風(fēng)向角為工況，通過LES模擬得到，當(dāng)風(fēng)向角為45°時(shí)，屋面迎風(fēng)角部負(fù)壓最大，并計(jì)算了該區(qū)域的極值風(fēng)荷載.

2）選取屋面最不利位置建立直立鎖縫屋面系統(tǒng)局部有限元模型，根據(jù)有限元結(jié)果給出了脫扣破壞失效準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的極限狀態(tài)函數(shù).

3）下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)可靠指標(biāo)低于對(duì)應(yīng)的常態(tài)風(fēng)可靠指標(biāo)，說明下?lián)舯┝飨啾瘸B(tài)風(fēng)更易造成直立鎖縫屋面系統(tǒng)風(fēng)揭破壞.

4）按照《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068—2018）［24］要求，下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)可靠指標(biāo)僅達(dá)到了規(guī)范要求的三級(jí)安全水準(zhǔn)，建議進(jìn)行重要建筑物的直立鎖縫屋面系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮下?lián)舯┝鞯挠绊?

需要指出的是，雖然本文發(fā)展了下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭可靠度評(píng)估方法，但仍有進(jìn)一步的工作需要開展與完善，如綜合考慮直立鎖縫屋面系統(tǒng)的多種失效模式、細(xì)化隨機(jī)參數(shù)以及增加CFD 數(shù)值模擬計(jì)算工況或通過風(fēng)洞試驗(yàn)獲取更符合真實(shí)情況的極值風(fēng)荷載分布形式，進(jìn)而結(jié)合本文方法對(duì)下?lián)舯┝髯饔孟轮绷㈡i縫屋面系統(tǒng)開展更為精細(xì)化的可靠度評(píng)估等.