一种考虑风压关联性和风速方向性金属屋面风灾估计方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑风压关联性和风速方向性金属屋面风灾估计方法，对金属结构屋面板的风致损失进行估计。计算过程中，采用POD插值得到屋面的外部风压；通过模拟得到内压；利用影响面法计算屋面板连接构件内力，并通过Gumbel转换求得相应的极值内力；运用蒙特卡洛模拟，估计出屋面板失效概率和整体屋面损失率，其中连接构件内力相关性通过Nataf变换来考虑；将风的方向性考虑到风致损失估计中，得到金属屋面板的集成风致损失估计方法。本发明专利技术方法通过POD法内插进行屋面外部风压重建，从而考虑了风压之间存在的关联性，量化了风荷载相关性对于屋面板风致损失评估的影响，并且同时考虑风压关联性和风速方向性对金属板屋面进行风致损失估计。

A method for estimating wind-induced loss of metal plate roof

The invention discloses a wind loss estimation method for a metal plate roof, which estimates the wind-induced loss of a metal structure roof panel. In the process of calculation, using POD interpolation to obtain the external pressure of roof; through the simulation of internal pressure; calculation of internal force influence by connecting the roof panel surface method, and through the Gumbel conversion to find extreme force corresponding; using Monte Carlo simulation, to estimate the failure probability of the whole roof panel and roof loss rate, which is connected to the relationship between internal forces Nataf transform; direction of wind will consider the wind loss estimation, estimation method of metal roof panel integrated wind loss. The method of the invention through the POD method to interpolate the roof outside pressure reconstruction, to consider the relationship between the pressure of existence, to quantify the wind load correlation for roof panel wind-induced damage assessment effect and at the same time, considering the wind pressure and wind speed correlation of direction estimation of metal roof of wind-induced damage.

【技术实现步骤摘要】
一种金属板屋面风致损失估计方法
本专利技术属于风灾评估领域，具体而言是在同时考虑风压关联性和风速方向性的情况下，一种针对于金属结构房屋的屋面风致损失估计方法。
技术介绍
如今，金属结构广泛应用于低矮房屋，尤其是非住宅建筑。该类型结构在飓风(或台风或气旋)、雷暴风和龙卷风中很容易遭到损毁(e.g.,Perry,D.C.,Mcdonald,J.R.,Saffir,H.S.,andAsce,F,“Performanceofmetalbuildingsinhighwinds”,J.WindEng.Ind.Aerodyn.,36,985-999.1990)。例如，2004年台风“云娜”登录中国浙江省，对当地的工业厂房造成了严重的破坏。其中，房屋倒塌272万平方米，房屋损坏达到756万平方米。灾后调查发现，金属结构的破坏形式主要是围护结构破坏，而不是主体框架的倒塌(e.g.,NIST，“PerformanceofphysicalstructuresinHurricaneKatrinaandHurricaneRita:Areconnaissancereport.”，NationalInstituteofStandardsandTechnology,Gaithersburg,MD,USA.2006)。而屋面的破裂不仅仅是造成房屋自身的损毁，还会对房屋内部造成进一步的威胁，例如雨水渗透。此外，工业厂房损坏而导致的生产中断也会产生不必要的间接经济损失，这也给保险公司带来了大量的索赔负担。可以说，金属屋面的风致破坏分析和预测对于灾害缓解和风险控制十分重要。现如今，强风作用下的低矮房屋，尤其是木质结构的易损性分析，在工程界得到了越来越多的重视。文献Fragilityassessmentforroofsheathingfailureinhighwindregions(e.g.,Lee,K.H.,andRosowsky,D.V，Eng.Struct.,27(6),857-868.2005)对木质结构屋面的风致易损性进行了评估。文献Hurricanedamagetoresidentialconstructionintheus:importanceofuncertaintymodelinginriskassessment(e.g.,Li,Y.,andEllingwood,B.R.，Eng.Struct.,28(7),1009-1018.，2006)提出了一种概率风险评估法来估计位于美国飓风多发区的木质住宅的性能及可靠性，并且强调了不确定性的重要性。近来，风洞数据越来越多地被用于风灾评估中。文献Database-assistedwindvulnerabilityassessmentformetalbuildings(e.g.,Zhao,M.,andGuM.，Proc.13thIntl.Conf.onWindEng.,Amsterdam,Netherlands.，2011)提出了一种基于数据的金属建筑的风致易损性评估模型。文献Data-basedprobabilisticdamageestimationforasphaltshingleroofing(e.g.,Huang,G.,He,H.,Mehta,K.C.,andLiu,X.，J.Struct.Eng.,141(12),04015065.2015)基于数据，提出了一种沥青屋面灾害评估方法。文献Reliabilitybasedvulnerabilitymodellingofmetal-cladindustrialbuildingstoextremewindloadingforcyclonicregions(e.g.,Konthesingha,K.M.C.,Stewart,M.G.,Ryan,P.,Ginger,J.,andHenderson,D.，J.WindEng.Ind.Aerodyn.,147,176-185.2015)建立了一种对气旋区域内金属板的工业厂房易损性分析的可靠度模型。文献Damageestimationofroofpanelsconsideringwindloadingcorrelation(e.g.,Huang,G.,Ji,X.,Luo,Y.,andGurley,K.R.，J.WindEng.Ind.Aerodyn.,155,141-148.2016)提出了一种在考虑风压关联性屋面板的易损性评估模型。除去对结构破坏进行分析，文献Analysisofwind-inducedeconomiclossesresultingfromroofdamagetoametalbuilding(e.g.,Dabral,A.,andEwing,B.T.，J.BusinessVal.Econ.LossAnal.,4(2).2009)讨论了金属屋面风致破坏下的经济损失。尽管成绩斐然，但现有技术中都是从单一方面去考虑，难于使得金属屋面构件的风致损失估计更加合理、全面。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种金属板屋面风致损失估计方法，使金属屋面板的风致损失估计更趋于实际和系统。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种金属板屋面风致损失估计方法，包括以下步骤：步骤1：采用POD插值得到屋面的外部风压设定测点处风压通过对已有测点处风压进行POD插值而得出，通过POD插值对低矮房屋金属板屋面进行风压重建；为一组零均值的N元脉动风压系数向量，其中N表示风洞试验中测点的数量，利用POD找到一组最优正交基Θ＝[Θ1,Θ2,...,ΘN]，则CP(t)展开为其中，ai(t)是CP(t)在基向量Θi上的投影，i＝1,2,…,N；基向量组Θ通过下列特征值方程确定RpAΘ＝ΘΛ(2)其中，Rp是CP(t)的协方差矩阵；A＝diag(A1,A2,…,AN)，Ai是第i个测点处风压贡献面积；对角矩阵Λ＝diag(λ1,λ2,…,λN)；当测点均匀分布且各测点风压贡献面积相等时，公式(2)写为RpΘ＝ΘΛ#(3)其中，当测点分布不均匀时，将公式(2)乘以A1/2，则公式等效为其中，Θ*＝A1/2Θ，此时公式中的转换矩阵是一个实对称矩阵，正交基向量组通过求逆得到Θ＝A-1/2Θ*(5)通过对解得的基向量空间插值，得到设定测点处新向量分量，乘以投影a(t)得到这些设定测点处的脉动风压，进而得到屋面的外部风压；步骤2：通过模拟得到内压对一个单一开口，其控制方程为：其中ρ是空气密度；le是“气塞”效应的有效长度；V是内部体积；γ是空气的比热容；a是开口面积；P0是大气压力；是参考高度处的平均风速；κ是流量系数，弥补其他的能量损失；Cpe和Cpi分别表示外压和内压系数；步骤3：螺钉内力及其极值内力的确定通过影响系数来确定螺钉内力，获得螺钉内力的公式为：X(t)＝∫∫q(x,y,t)Ic(x,y)dxdy(7)其中，Ic(x,y)是在(x,y)处螺钉内力的影响系数；q(x,y,t)表示相应的总压力，即外压和内压的总和；用表示T1分钟过程内的内力极值，设其累积分布函数服从Gumbel分布，即其中模态是最可能的取值，是散度；T分钟内极值W的累积分布函数为计算得到T1分钟内的累积分布函数为：其中，新的模态和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属板屋面风致损失估计方法，其特征在于，考虑风荷载相关性和风速方向性，包括以下步骤：步骤1：采用POD插值得到屋面的外部风压设定测点处风压通过对已有测点处风压进行POD插值而得出，通过POD插值对低矮房屋金属板屋面进行风压重建；

【技术特征摘要】
1.一种金属板屋面风致损失估计方法，其特征在于，考虑风荷载相关性和风速方向性，包括以下步骤：步骤1：采用POD插值得到屋面的外部风压设定测点处风压通过对已有测点处风压进行POD插值而得出，通过POD插值对低矮房屋金属板屋面进行风压重建；为一组零均值的N元脉动风压系数向量，其中N表示风洞试验中测点的数量，利用POD找到一组最优正交基Θ＝[Θ1,Θ2,...,ΘN]，则CP(t)展开为其中，ai(t)是CP(t)在基向量Θi上的投影，i＝1,2,…,N；基向量组Θ通过下列特征值方程确定RpAΘ＝ΘΛ(2)其中，Rp是CP(t)的协方差矩阵；A＝diag(A1,A2,…,AN)，Ai是第i个测点处风压贡献面积；对角矩阵Λ＝diag(λ1,λ2,…,λN)；当测点均匀分布且各测点风压贡献面积相等时，公式(2)写为RpΘ＝ΘΛ#(3)其中，当测点分布不均匀时，将公式(2)乘以A1/2，则公式等效为其中，Θ*＝A1/2Θ，此时公式中的转换矩阵是一个实对称矩阵，正交基向量组通过求逆得到Θ＝A-1/2Θ*(5)通过对解得的基向量空间插值，得到设定测点处新向量分量，乘以投影a(t)得到这些设定测点处的脉动风压，进而得到屋面的外部风压；步骤2：通过模拟得到内压对一个单一开口，其控制方程为：其中ρ是空气密度；le是“气塞”的有效长度；V是内部体积；γ是空气的比热容；a是开口面积；P0是大气压力；是参考高度处的平均风速；κ是流量系数，弥补其他的能量损失；Cpe和Cpi分别表示外压和内压系数；步骤3：螺钉上内力及其极值内力的确定通过影响系数来确定螺钉内力，获得螺钉内力的公式为：X(t)＝∫∫q(x,y,t)Ic(x,y)dxdy(7)其中，Ic(x,y)是在(x,y)处螺钉内力的影响系数；q(x,y,t)表示相应的总压力，即外压和内压的总和；用表示T1分钟过程内的极值内力，设它的累积分布函数服从Gumbel分布，即其中模态是最可能的取值，是散度；T分钟内极值W的累积分布函数为计算得到T1分钟内的累积分布函数为：其中，新的模态和散度为：它们的乘积是一个无量纲参数；步骤4：求解螺钉内力间的相关性采用Nataf转换来关联非高斯变量和高斯变量，用来求解极值内力的相关性，设W＝[W1,W2,…,Wn]T表示螺钉上极值内力分量的一个随机变量向量组，它的累积分布函数是j＝1,2,…,n，n是螺钉的数量，此向量通过转换为相应的标准高斯随机向量Ζ＝[Z1,Z2,…,Zn]T，其中Φ(·)表示标准高斯累积分布函数；通过得到相应的Nataf转换；其中，fW(w)是极值内力的联合概率密度函数，是相关矩阵RZ的n元标准高斯联合概率密度函数；是Wj和Wk间的相关系数，表示为其中，μj和σj分别是Wj的均值和标准差；Zj和Zk之间的相关系数是RZ中一个元素；若Wj和Wk均服从Gumbel分布，公式(14)近似表示为步骤5：金属屋面板失效概率和屋面损失率当使用高强度G550型号钢时，强度R的均值为其中，钢材的屈服应力为fy；螺钉帽的直径为dn；杨氏模量为E；金属板波峰高度为hc；波峰顶间距为hp；波谷宽度为Wt；金属板波峰宽度为Wc；金属板厚度为t；檩条之间的距离为L；变异系数是0.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：冀骁文，黄国庆，崔建，罗颖，何华，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51