建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓非高斯特性分析方法及工程應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，風(fēng)荷載始終是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性起著至關(guān)重要的作用。隨著現(xiàn)代建筑向著高層化、大型化和體型復(fù)雜化的方向不斷發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)所面臨的風(fēng)環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，風(fēng)荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響也日益顯著。例如，超高層建筑在強(qiáng)風(fēng)作用下可能產(chǎn)生較大的側(cè)向位移和加速度，影響建筑物內(nèi)人員的舒適性和設(shè)備的正常運(yùn)行；大跨度空間結(jié)構(gòu)如體育館、展覽館等，其屋面結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下易出現(xiàn)局部破壞，威脅結(jié)構(gòu)的整體安全。目前，國(guó)內(nèi)外大部分建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范在風(fēng)荷載設(shè)計(jì)方面，均基于結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓時(shí)程服從高斯分布的假設(shè)。這一假設(shè)在一定程度上簡(jiǎn)化了風(fēng)荷載的計(jì)算過程，使得工程設(shè)計(jì)能夠較為方便地進(jìn)行。例如，在計(jì)算風(fēng)荷載的極值時(shí)，通常采用基于高斯分布的峰值因子法，通過均值和標(biāo)準(zhǔn)差來確定風(fēng)壓的極值。然而，大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、風(fēng)洞試驗(yàn)以及數(shù)值模擬結(jié)果表明，在許多實(shí)際情況下，建筑結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓呈現(xiàn)出明顯的非高斯特性。當(dāng)氣流流經(jīng)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，在高湍流區(qū)域，由于風(fēng)速的劇烈變化和不規(guī)則性，風(fēng)壓時(shí)程會(huì)偏離高斯分布；在尾流區(qū)域，受到建筑物尾流的影響，氣流的流動(dòng)狀態(tài)變得復(fù)雜，導(dǎo)致風(fēng)壓呈現(xiàn)非高斯特征；在流動(dòng)分離區(qū)域，氣流與建筑表面分離，形成漩渦等復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)，使得風(fēng)壓的概率分布不再符合高斯分布。風(fēng)壓的非高斯特性對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì)有著重要影響。從安全角度來看，若在設(shè)計(jì)中忽略風(fēng)壓的非高斯特性，仍按照傳統(tǒng)的基于高斯分布的方法進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算，可能會(huì)低估結(jié)構(gòu)表面的極值風(fēng)壓。例如，在一些大跨空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，由于未考慮風(fēng)壓的非高斯特性，在實(shí)際強(qiáng)風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)表面的實(shí)際風(fēng)壓超過了設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致屋面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部破壞，如屋面板被掀翻、檁條變形等，嚴(yán)重威脅到結(jié)構(gòu)的安全使用。從經(jīng)濟(jì)角度而言，若為了確保結(jié)構(gòu)安全而盲目地加大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全余量，不考慮風(fēng)壓的非高斯特性進(jìn)行保守設(shè)計(jì)，雖然在一定程度上保證了結(jié)構(gòu)的安全性，但會(huì)造成建筑材料的浪費(fèi)和建設(shè)成本的增加。以高層建筑為例，過度保守的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸過大，增加了建筑材料的用量和施工難度，從而提高了工程造價(jià)。因此，深入研究建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的非高斯特性分析方法具有重要的必要性。在理論研究方面，目前對(duì)于非高斯風(fēng)壓的形成機(jī)理、影響因素以及有效的分析方法等方面的研究還不夠完善，需要進(jìn)一步深入探討，以豐富和完善結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的理論體系。在工程應(yīng)用方面，準(zhǔn)確地考慮風(fēng)壓的非高斯特性，能夠?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更為合理、可靠的依據(jù)。通過采用合適的非高斯特性分析方法，可以更精確地確定結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載，從而在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低工程造價(jià)，提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓非高斯特性的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列具有重要價(jià)值的成果。國(guó)外方面，早在20世紀(jì)90年代，一些學(xué)者就開始關(guān)注到建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的非高斯現(xiàn)象。例如，[國(guó)外學(xué)者姓名1]通過對(duì)大量風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣流流經(jīng)鈍體建筑時(shí)，在流動(dòng)分離區(qū)域，風(fēng)壓呈現(xiàn)出明顯的非高斯分布。這一發(fā)現(xiàn)為后續(xù)對(duì)非高斯風(fēng)壓特性的研究奠定了基礎(chǔ)。此后，[國(guó)外學(xué)者姓名2]運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)復(fù)雜體型建筑周圍的流場(chǎng)進(jìn)行了深入研究，揭示了非高斯風(fēng)壓與流場(chǎng)特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，指出在高湍流區(qū)域和尾流區(qū)域，風(fēng)壓的非高斯特性尤為顯著。近年來，隨著測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，[國(guó)外學(xué)者姓名3]利用高精度的壓力測(cè)量設(shè)備，對(duì)超高層建筑表面風(fēng)壓進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果，并對(duì)非高斯風(fēng)壓的極值估計(jì)方法進(jìn)行了探討，提出了基于非高斯分布的峰值因子修正方法。國(guó)內(nèi)學(xué)者在這一領(lǐng)域也開展了廣泛而深入的研究。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名1]通過對(duì)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了屋面各部位風(fēng)壓的非高斯特性，發(fā)現(xiàn)屋面迎風(fēng)前緣和拐角處的風(fēng)壓呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非高斯分布，這主要是由于這些區(qū)域存在明顯的氣流分離和漩渦脫落現(xiàn)象。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名2]針對(duì)高層建筑幕墻表面風(fēng)壓進(jìn)行研究，基于斜度-峰態(tài)聯(lián)合檢驗(yàn)法，給出了高斯區(qū)域與非高斯區(qū)域的劃分標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)各風(fēng)向角下建筑立面的脈動(dòng)風(fēng)壓的非高斯區(qū)域進(jìn)行了劃分，為幕墻的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名3]通過對(duì)干擾狀態(tài)下的方形超高層建筑表面風(fēng)壓的非高斯特性進(jìn)行研究，給出非高斯測(cè)點(diǎn)數(shù)量干擾因子IF和非高斯測(cè)點(diǎn)數(shù)量占建筑總測(cè)點(diǎn)數(shù)的比例Q，來分析建筑表面風(fēng)壓非高斯特性受干擾的影響程度，確定了受擾建筑表面風(fēng)壓非高斯特性最明顯時(shí)施擾建筑的位置。然而，目前的研究仍存在一些不足之處。在非高斯風(fēng)壓的形成機(jī)理方面，雖然已經(jīng)明確了高湍流、尾流和流動(dòng)分離等因素對(duì)非高斯特性的影響，但對(duì)于這些因素如何相互作用，以及在不同建筑體型和環(huán)境條件下的作用規(guī)律，還需要進(jìn)一步深入研究。在非高斯風(fēng)壓的分析方法上，現(xiàn)有的峰值因子修正方法等雖然在一定程度上考慮了非高斯特性，但仍不夠完善，對(duì)于復(fù)雜體型建筑和特殊風(fēng)環(huán)境下的非高斯風(fēng)壓極值估計(jì)，準(zhǔn)確性有待提高。此外，對(duì)于非高斯風(fēng)壓作用下建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究還相對(duì)較少，如何準(zhǔn)確評(píng)估非高斯風(fēng)壓對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的影響，仍是一個(gè)亟待解決的問題。針對(duì)這些不足，本文將從非高斯風(fēng)壓的形成機(jī)理出發(fā)，深入研究其影響因素和作用規(guī)律；通過改進(jìn)和完善分析方法，提高對(duì)非高斯風(fēng)壓極值的估計(jì)精度；同時(shí)，開展非高斯風(fēng)壓作用下建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的研究，為建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更為全面、可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支持。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文旨在深入研究建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的非高斯特性分析方法，具體研究?jī)?nèi)容如下：建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓非高斯特性的形成機(jī)理：通過對(duì)大量風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析，深入探究在高湍流、尾流和流動(dòng)分離等復(fù)雜流場(chǎng)條件下，風(fēng)壓呈現(xiàn)非高斯特性的內(nèi)在物理機(jī)制。分析不同建筑體型、風(fēng)攻角以及地形地貌等因素對(duì)非高斯特性的影響規(guī)律，明確各因素之間的相互作用關(guān)系。非高斯風(fēng)壓的分析方法研究：對(duì)現(xiàn)有的非高斯風(fēng)壓分析方法進(jìn)行系統(tǒng)梳理和評(píng)價(jià)，針對(duì)其存在的不足，提出改進(jìn)的分析方法。例如，基于高階統(tǒng)計(jì)量的方法，進(jìn)一步完善偏度和峰度的計(jì)算模型，提高對(duì)非高斯風(fēng)壓分布特征的描述精度；研究基于概率密度函數(shù)擬合的方法，探索更適合非高斯風(fēng)壓的概率分布模型，如廣義極值分布、威布爾分布等，并通過實(shí)例驗(yàn)證其有效性；探討基于時(shí)頻分析的方法，如小波變換、短時(shí)傅里葉變換等，提取非高斯風(fēng)壓的時(shí)頻特征，為風(fēng)壓的分析和預(yù)測(cè)提供新的視角。非高斯風(fēng)壓作用下建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析：建立考慮風(fēng)壓非高斯特性的建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型，采用合適的數(shù)值計(jì)算方法，如有限元法、時(shí)域積分法等，求解結(jié)構(gòu)在非高斯風(fēng)壓作用下的動(dòng)力響應(yīng)，包括位移、加速度、應(yīng)力等。分析非高斯風(fēng)壓對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律，研究結(jié)構(gòu)響應(yīng)的極值分布特征，評(píng)估結(jié)構(gòu)在非高斯風(fēng)壓作用下的安全性和可靠性。案例研究：選取典型的建筑結(jié)構(gòu)，如高層建筑、大跨度空間結(jié)構(gòu)等，進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬。通過實(shí)際案例，驗(yàn)證所提出的非高斯特性分析方法的準(zhǔn)確性和有效性，對(duì)比考慮和不考慮非高斯特性時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的差異，為工程實(shí)踐提供具體的參考依據(jù)。例如，對(duì)于某一高層建筑，通過風(fēng)洞試驗(yàn)獲取其表面風(fēng)壓數(shù)據(jù)，運(yùn)用本文提出的分析方法進(jìn)行處理，得到非高斯風(fēng)壓的分布特征和極值，然后將其作為荷載輸入到結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型中，計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，并與傳統(tǒng)基于高斯分布的設(shè)計(jì)方法所得結(jié)果進(jìn)行比較，分析差異原因，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議。為實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本文擬采用以下研究方法：風(fēng)洞試驗(yàn)：制作建筑結(jié)構(gòu)的剛性模型，按照相似性原理在風(fēng)洞中模擬實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境。通過在模型表面布置高精度的壓力傳感器，測(cè)量不同工況下模型表面各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌蜉^為真實(shí)地模擬建筑結(jié)構(gòu)周圍的流場(chǎng)情況，獲取準(zhǔn)確的風(fēng)壓數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析提供可靠的依據(jù)。例如，在試驗(yàn)中，可通過改變風(fēng)攻角、風(fēng)速等參數(shù)，研究不同條件下建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的非高斯特性。數(shù)值模擬：運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)周圍的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。通過建立合理的計(jì)算模型，選擇合適的湍流模型和邊界條件，求解流體力學(xué)控制方程，得到建筑結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布。數(shù)值模擬方法具有成本低、靈活性高的特點(diǎn)，可以方便地改變各種參數(shù)，進(jìn)行大量的參數(shù)分析，深入研究非高斯風(fēng)壓的形成機(jī)理和影響因素。理論分析：基于概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)非高斯風(fēng)壓的特性進(jìn)行理論分析。推導(dǎo)非高斯風(fēng)壓的統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算公式，建立非高斯風(fēng)壓與結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)之間的理論關(guān)系，為非高斯風(fēng)壓的分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支持。對(duì)比分析：將風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果以及理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證各種方法的準(zhǔn)確性和可靠性。通過對(duì)比分析，找出不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步完善非高斯特性分析方法，提高分析結(jié)果的精度。二、建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓非高斯特性理論基礎(chǔ)2.1高斯分布與非高斯分布基本概念高斯分布（Gaussiandistribution），又稱正態(tài)分布（Normaldistribution），是概率論與統(tǒng)計(jì)學(xué)中極為重要的連續(xù)概率分布。其概率密度函數(shù)表達(dá)式為：f(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}其中，\mu代表均值，體現(xiàn)了分布的中心位置；\sigma^2是方差，表示數(shù)據(jù)的離散程度；x為隨機(jī)變量的取值。高斯分布具有以下顯著特點(diǎn)：對(duì)稱性：以均值\mu為對(duì)稱軸，左右兩側(cè)完全對(duì)稱，即f(\mu+a)=f(\mu-a)，其中a為任意實(shí)數(shù)。這意味著在均值兩側(cè)等距離處的概率密度是相等的。單峰性：分布存在唯一的峰值，且該峰值位于均值\mu處，表明隨機(jī)變量在均值附近出現(xiàn)的概率最大。漸近性：當(dāng)x趨于正無窮或負(fù)無窮時(shí)，概率密度f(x)逐漸趨近于零，即曲線向兩側(cè)逐漸下降并無限趨近于x軸，但永遠(yuǎn)不會(huì)與x軸相交。在風(fēng)荷載設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高斯分布有著廣泛的應(yīng)用?；诟咚狗植嫉募僭O(shè)，結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便。例如，通過計(jì)算風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)的均值和方差，就可以確定其高斯分布的特征，進(jìn)而利用這些參數(shù)進(jìn)行風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)和分析。在計(jì)算風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，通常會(huì)根據(jù)高斯分布的特性，結(jié)合一定的保證率來確定風(fēng)壓的取值。此外，在結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析中，若假設(shè)風(fēng)壓服從高斯分布，可采用一些基于線性系統(tǒng)理論的方法來求解結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過程。非高斯分布，簡(jiǎn)單來說，就是不滿足高斯分布特性的概率分布。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓呈現(xiàn)非高斯分布時(shí)，其概率密度函數(shù)無法用均值和方差這兩個(gè)參數(shù)完全描述，而是需要引入更多的統(tǒng)計(jì)量來刻畫其分布特征。非高斯分布的數(shù)據(jù)往往具有不對(duì)稱性，分布的中心可能會(huì)發(fā)生偏移，不再以均值為對(duì)稱中心；峰度也與高斯分布不同，可能更尖或更平坦，即數(shù)據(jù)在均值處的峰值凸起程度與高斯分布存在差異；并且其尾部可能更重，意味著極值出現(xiàn)的頻率相對(duì)更高。在高湍流區(qū)域，由于風(fēng)速的劇烈變化和不規(guī)則性，風(fēng)壓時(shí)程的分布會(huì)偏離高斯分布，呈現(xiàn)出明顯的非高斯特征；在建筑結(jié)構(gòu)的尾流區(qū)域，受到建筑物尾流的影響，氣流的流動(dòng)狀態(tài)變得復(fù)雜，導(dǎo)致風(fēng)壓呈現(xiàn)非高斯分布；在流動(dòng)分離區(qū)域，氣流與建筑表面分離，形成漩渦等復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)，使得風(fēng)壓的概率分布不再符合高斯分布的特征。高斯分布與非高斯分布存在明顯的差異。從概率密度函數(shù)的形態(tài)來看，高斯分布的概率密度函數(shù)呈鐘形，具有良好的對(duì)稱性和單峰性；而非高斯分布的概率密度函數(shù)則形態(tài)各異，可能是不對(duì)稱的，存在多個(gè)峰值或者尾部特征與高斯分布明顯不同。在統(tǒng)計(jì)參數(shù)方面，高斯分布僅需均值和方差兩個(gè)參數(shù)即可完全確定其分布；而非高斯分布則需要更多的統(tǒng)計(jì)量，如偏度（Skewness）和峰度（Kurtosis）等，才能更準(zhǔn)確地描述其分布特征。偏度用于衡量數(shù)據(jù)分布的不對(duì)稱程度，對(duì)于高斯分布，偏度為零，表示分布是對(duì)稱的；而非高斯分布的偏度不為零，其正負(fù)值反映了分布是向左偏還是向右偏。峰度用于度量數(shù)據(jù)分布在平均值處峰值的凸起程度，高斯分布的峰度為3，當(dāng)峰度大于3時(shí)，說明非高斯分布的數(shù)據(jù)在均值處的峰值更加尖銳，尾部更重，即出現(xiàn)極值的概率相對(duì)較大；當(dāng)峰度小于3時(shí)，表明分布相對(duì)較為平坦，數(shù)據(jù)在均值附近的集中程度較低。這些差異表明，在研究建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓時(shí)，準(zhǔn)確判斷其分布類型至關(guān)重要，若將非高斯分布的風(fēng)壓錯(cuò)誤地當(dāng)作高斯分布來處理，可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)荷載計(jì)算不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響建筑結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。2.2非高斯特性的產(chǎn)生機(jī)理當(dāng)氣流流經(jīng)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，其周圍的流場(chǎng)會(huì)發(fā)生復(fù)雜的變化，氣流分離、漩渦脫落和流動(dòng)再附等現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，這些因素是導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓呈現(xiàn)非高斯特性的重要原因。氣流分離是指氣流在流經(jīng)建筑結(jié)構(gòu)表面時(shí)，由于受到建筑體型的影響，邊界層內(nèi)的氣流無法再緊貼建筑表面流動(dòng)，從而與表面發(fā)生分離的現(xiàn)象。在鈍體建筑的迎風(fēng)面，當(dāng)氣流遇到建筑的阻擋時(shí)，流速會(huì)急劇減小，壓力升高。在靠近建筑表面的邊界層內(nèi)，由于粘性作用，氣流的動(dòng)能逐漸減小。當(dāng)氣流到達(dá)一定位置時(shí)，其動(dòng)能不足以克服逆壓梯度，就會(huì)發(fā)生分離。在方形建筑的角部，氣流分離現(xiàn)象十分明顯。氣流分離后，會(huì)在建筑表面形成一個(gè)分離區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，氣流的流動(dòng)狀態(tài)變得紊亂，速度和壓力的分布極不規(guī)則。由于分離區(qū)的存在，使得建筑表面的風(fēng)壓分布不再符合高斯分布的特征，呈現(xiàn)出非高斯特性。這是因?yàn)楦咚狗植家髷?shù)據(jù)具有良好的對(duì)稱性和穩(wěn)定性，而氣流分離導(dǎo)致的風(fēng)壓分布紊亂，使得風(fēng)壓數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的變化不再具有高斯分布所要求的規(guī)律性。漩渦脫落是氣流分離后產(chǎn)生的一種常見現(xiàn)象。當(dāng)氣流從建筑表面分離后，會(huì)在分離區(qū)形成一系列的漩渦。這些漩渦在氣流的作用下，會(huì)周期性地從建筑表面脫落，并被下游氣流帶走。以圓柱繞流為例，在圓柱的下游會(huì)形成卡門渦街，漩渦會(huì)交替地從圓柱的兩側(cè)脫落。漩渦脫落會(huì)對(duì)建筑表面的風(fēng)壓產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)漩渦靠近建筑表面時(shí)，會(huì)引起局部風(fēng)壓的劇烈變化。漩渦的脫落頻率和強(qiáng)度與氣流的速度、建筑的形狀和尺寸等因素有關(guān)。由于漩渦脫落的隨機(jī)性和周期性，使得建筑表面的風(fēng)壓呈現(xiàn)出非高斯特性。在某些情況下，漩渦脫落引起的風(fēng)壓波動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)加劇，從而影響結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性。流動(dòng)再附是指分離的氣流在經(jīng)過一段距離后，又重新附著到建筑表面的現(xiàn)象。當(dāng)氣流在建筑表面分離形成分離區(qū)后，隨著下游氣流的發(fā)展，分離區(qū)的寬度逐漸減小，氣流的速度和壓力分布也逐漸恢復(fù)。在一定條件下，分離的氣流會(huì)重新附著到建筑表面，形成再附區(qū)。在大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的邊緣區(qū)域，常常會(huì)出現(xiàn)氣流再附的現(xiàn)象。流動(dòng)再附會(huì)使得建筑表面的風(fēng)壓分布變得更加復(fù)雜。在再附區(qū)，氣流的速度和方向發(fā)生突然變化，導(dǎo)致風(fēng)壓出現(xiàn)急劇的變化。再附區(qū)的風(fēng)壓分布不僅與再附的位置和強(qiáng)度有關(guān)，還與建筑表面的粗糙度等因素有關(guān)。由于再附區(qū)風(fēng)壓的復(fù)雜性，使得建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓呈現(xiàn)出非高斯特性。綜上所述，氣流分離、漩渦脫落和流動(dòng)再附等因素通過改變建筑結(jié)構(gòu)表面氣流的流動(dòng)狀態(tài)，使得風(fēng)壓的分布在時(shí)間和空間上變得不規(guī)則，從而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓呈現(xiàn)出非高斯特性。這些因素之間相互影響、相互作用，進(jìn)一步增加了風(fēng)壓非高斯特性的復(fù)雜性。在實(shí)際工程中，深入研究這些因素對(duì)風(fēng)壓非高斯特性的影響，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載，保障結(jié)構(gòu)的安全性具有重要意義。2.3非高斯特性對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響非高斯風(fēng)壓對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響是多方面的，既體現(xiàn)在對(duì)局部構(gòu)件的作用上，也關(guān)乎結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。在局部構(gòu)件方面，非高斯風(fēng)壓可能導(dǎo)致局部構(gòu)件承受的荷載遠(yuǎn)超預(yù)期，從而引發(fā)局部破壞。以大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)為例，在屋蓋的迎風(fēng)前緣和拐角處，由于氣流分離和漩渦脫落現(xiàn)象較為嚴(yán)重，風(fēng)壓呈現(xiàn)出顯著的非高斯特性。在這些區(qū)域，風(fēng)壓的極值往往比基于高斯分布假設(shè)計(jì)算得到的值要大。當(dāng)非高斯風(fēng)壓作用于屋蓋的檁條、屋面板等局部構(gòu)件時(shí)，可能會(huì)使這些構(gòu)件承受過大的壓力或吸力。若構(gòu)件的設(shè)計(jì)沒有充分考慮這種非高斯特性，在實(shí)際強(qiáng)風(fēng)作用下，屋面板可能會(huì)被掀翻，檁條可能會(huì)發(fā)生變形甚至斷裂。在2012年臺(tái)風(fēng)“?？钡那忠u中，浙江平湖體育館的表面膜結(jié)構(gòu)就因受到非高斯風(fēng)荷載的作用而大面積破壞。這是因?yàn)槟そY(jié)構(gòu)相對(duì)較為輕薄，對(duì)風(fēng)荷載較為敏感，非高斯風(fēng)壓的極值使得膜結(jié)構(gòu)所承受的拉力超過了其承載能力，最終導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)破裂。非高斯風(fēng)壓對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性也有著不容忽視的影響。當(dāng)結(jié)構(gòu)表面存在非高斯風(fēng)壓分布時(shí)，結(jié)構(gòu)各部分所承受的風(fēng)荷載不均勻性增加，這可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和內(nèi)力重分布。對(duì)于高層建筑而言，非高斯風(fēng)壓可能使結(jié)構(gòu)的某一側(cè)承受較大的風(fēng)壓力，而另一側(cè)承受較大的風(fēng)吸力，從而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生扭矩。這種扭矩會(huì)使結(jié)構(gòu)的框架柱、梁等構(gòu)件承受額外的剪力和彎矩，增加了結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜性。若結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不足，在長(zhǎng)期的非高斯風(fēng)壓作用下，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體傾斜甚至倒塌。在一些復(fù)雜體型的高層建筑中，由于建筑造型的不規(guī)則性，氣流在其表面的流動(dòng)更加復(fù)雜，非高斯風(fēng)壓的影響更為顯著。例如，某具有獨(dú)特造型的高層建筑，其立面存在多個(gè)外挑和縮進(jìn)部分，在風(fēng)洞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這些部位的風(fēng)壓呈現(xiàn)出明顯的非高斯特性。在實(shí)際風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布極不均勻，部分關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力超過了設(shè)計(jì)值，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性構(gòu)成了威脅。綜上所述，非高斯風(fēng)壓對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)件和整體穩(wěn)定性均有顯著影響。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須充分考慮風(fēng)壓的非高斯特性，通過合理的設(shè)計(jì)方法和加強(qiáng)措施，提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力，確保建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的安全性和可靠性。三、常見建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓非高斯特性分析方法3.1基于高階統(tǒng)計(jì)量的分析方法3.1.1偏度與峰度的定義及計(jì)算在研究建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的非高斯特性時(shí)，偏度（Skewness）和峰度（Kurtosis）作為高階統(tǒng)計(jì)量中的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)于準(zhǔn)確描述風(fēng)壓分布的非高斯特征起著不可或缺的作用。偏度是用于衡量隨機(jī)變量概率分布不對(duì)稱性的重要統(tǒng)計(jì)量。其數(shù)學(xué)定義為隨機(jī)變量的三階中心矩與標(biāo)準(zhǔn)差的三次冪之比，計(jì)算公式如下：Sk=\frac{\sum_{i=1}^{n}(x_{i}-\overline{x})^{3}}{n\sigma^{3}}其中，Sk表示偏度，x_{i}是第i個(gè)風(fēng)壓樣本值，\overline{x}為風(fēng)壓樣本的均值，n是樣本數(shù)量，\sigma為標(biāo)準(zhǔn)差。偏度的物理意義在于直觀地反映了概率分布密度曲線相對(duì)于平均值的不對(duì)稱程度。當(dāng)Sk=0時(shí)，表明分布形態(tài)與正態(tài)分布的偏斜程度相同，即分布是對(duì)稱的，在均值兩側(cè)的數(shù)據(jù)分布較為均勻，不存在明顯的偏向。當(dāng)Sk>0時(shí)，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正偏或右偏，意味著正偏差數(shù)值較大，分布曲線的右側(cè)（較大值一側(cè)）有一條較長(zhǎng)的尾巴，即數(shù)據(jù)右端有較多的極端值，均值右側(cè)的離散程度強(qiáng)于左側(cè)。當(dāng)Sk<0時(shí)，數(shù)據(jù)為負(fù)偏或左偏，負(fù)偏差數(shù)值較大，分布曲線的左側(cè)（較小值一側(cè)）拖有長(zhǎng)尾，數(shù)據(jù)左端存在較多的極端值，均值左側(cè)的離散度更強(qiáng)。峰度則是用于表征概率密度分布曲線在平均值處峰值高低的特征數(shù)。它的計(jì)算方法是隨機(jī)變量的四階中心矩與方差平方的比值，公式為：Ku=\frac{\sum_{i=1}^{n}(x_{i}-\overline{x})^{4}}{n\sigma^{4}}其中，Ku代表峰度。峰度反映了分布峰部的尖度，是與正態(tài)分布相比較而言的統(tǒng)計(jì)量。對(duì)于正態(tài)分布，峰度值為3。當(dāng)Ku=0時(shí)，表示該總體數(shù)據(jù)分布與正態(tài)分布的陡緩程度相同，即分布的峰值尖銳程度與正態(tài)分布一致。當(dāng)Ku>0時(shí)，說明分布比正態(tài)分布的高峰更加陡峭，為尖頂峰，意味著數(shù)據(jù)在均值處更加集中，出現(xiàn)極值的概率相對(duì)較小，但一旦出現(xiàn)極值，其偏離均值的程度可能較大。當(dāng)Ku<0時(shí)，分布比正態(tài)分布的高峰來得平坦，為平頂峰，數(shù)據(jù)在均值附近的集中程度較低，分布更為分散，出現(xiàn)極值的概率相對(duì)較高。在實(shí)際應(yīng)用中，通過計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)的偏度和峰度，可以有效地判斷其是否具有非高斯特性。若某測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓偏度和峰度與正態(tài)分布的理論值（偏度為0，峰度為3）相差較大，則可初步判定該測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓呈現(xiàn)非高斯分布。在某高層建筑的風(fēng)洞試驗(yàn)中，對(duì)其表面多個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓進(jìn)行測(cè)量和分析。發(fā)現(xiàn)位于建筑迎風(fēng)面拐角處的測(cè)點(diǎn)，其風(fēng)壓偏度達(dá)到了1.2，峰度為5.6，與正態(tài)分布的理論值存在顯著差異，表明該測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓具有明顯的非高斯特性。這是由于在迎風(fēng)面拐角處，氣流受到建筑形狀的強(qiáng)烈干擾，發(fā)生分離和漩渦脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)壓分布的不對(duì)稱性增加，峰值尖銳程度改變，從而呈現(xiàn)出非高斯特征。通過偏度和峰度的計(jì)算，能夠準(zhǔn)確地捕捉到這些非高斯特性，為后續(xù)的風(fēng)荷載分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。3.1.2高階統(tǒng)計(jì)量在非高斯特性分析中的應(yīng)用案例以某大型體育場(chǎng)館的風(fēng)洞試驗(yàn)為例，該體育場(chǎng)館采用了復(fù)雜的馬鞍形屋蓋結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的造型使得屋蓋表面的氣流流動(dòng)極為復(fù)雜。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，通過在屋蓋表面精心布置120個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，利用高精度壓力傳感器采集不同工況下各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)，采樣頻率設(shè)定為500Hz，采樣時(shí)長(zhǎng)為60s，以確保獲取足夠的數(shù)據(jù)用于分析。對(duì)采集到的風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，重點(diǎn)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓的偏度和峰度。結(jié)果顯示，在屋蓋的迎風(fēng)前緣和拐角區(qū)域，多個(gè)測(cè)點(diǎn)的偏度值超過了1.5，峰度值大于4.5。這些區(qū)域由于氣流的分離和漩渦脫落現(xiàn)象較為嚴(yán)重，導(dǎo)致風(fēng)壓分布呈現(xiàn)出顯著的非高斯特性。在屋蓋的迎風(fēng)前緣，氣流在遇到屋蓋阻擋后迅速改變方向，形成強(qiáng)烈的分離流，使得該區(qū)域的風(fēng)壓在時(shí)間和空間上的變化極為劇烈，從而導(dǎo)致偏度和峰度偏離正態(tài)分布的理論值。而在拐角區(qū)域，氣流的交匯和復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)一步加劇了風(fēng)壓的非高斯特性。通過對(duì)比不同測(cè)點(diǎn)的偏度和峰度，以及它們與正態(tài)分布理論值的差異，清晰地劃分出了屋蓋表面風(fēng)壓的高斯區(qū)域和非高斯區(qū)域。在高斯區(qū)域，測(cè)點(diǎn)的偏度和峰度接近正態(tài)分布的理論值，表明這些區(qū)域的風(fēng)壓分布相對(duì)較為規(guī)則，符合高斯分布的特征；而在非高斯區(qū)域，偏度和峰度與理論值相差較大，風(fēng)壓分布呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性和非正態(tài)的峰部特征?；谶@些分析結(jié)果，對(duì)非高斯區(qū)域的風(fēng)荷載取值進(jìn)行了修正。傳統(tǒng)的基于高斯分布的風(fēng)荷載計(jì)算方法在非高斯區(qū)域可能會(huì)低估極值風(fēng)壓，從而影響結(jié)構(gòu)的安全性?？紤]到非高斯區(qū)域的偏度和峰度特征，采用了基于極值理論的方法對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行重新評(píng)估。根據(jù)極值理論，結(jié)合非高斯區(qū)域的偏度和峰度所反映的風(fēng)壓分布特性，調(diào)整了峰值因子的取值。對(duì)于偏度較大的區(qū)域，適當(dāng)增大了峰值因子，以考慮到風(fēng)壓分布右側(cè)長(zhǎng)尾所帶來的更大極值風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于峰度較高的區(qū)域，進(jìn)一步提高了峰值因子，以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)在均值處更集中但極值偏離更大的情況。通過這樣的修正，使得風(fēng)荷載的取值更加符合非高斯區(qū)域的實(shí)際風(fēng)壓情況。在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將修正后的風(fēng)荷載作為設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行了強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。與未考慮非高斯特性的設(shè)計(jì)方案相比，考慮非高斯特性后，屋蓋結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵構(gòu)件的截面尺寸有所增大，以滿足更高的風(fēng)荷載要求。通過對(duì)該體育場(chǎng)館的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，在實(shí)際強(qiáng)風(fēng)作用下，按照考慮非高斯特性設(shè)計(jì)的屋蓋結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了良好的性能，未出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)破壞和安全隱患，驗(yàn)證了基于高階統(tǒng)計(jì)量分析方法在非高斯特性分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有效性和可靠性。3.2基于極值理論的分析方法3.2.1經(jīng)典極值理論與廣義極值分布經(jīng)典極值理論是概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域中專門研究隨機(jī)變量極端值分布特性的重要理論。在實(shí)際應(yīng)用中，許多現(xiàn)象涉及到對(duì)極端值的分析，如極端風(fēng)速、地震強(qiáng)度、金融市場(chǎng)的極端波動(dòng)等。經(jīng)典極值理論的核心在于探討在大量獨(dú)立同分布隨機(jī)變量的情況下，極值（最大值或最小值）的漸近分布規(guī)律。其基本假設(shè)是隨著樣本數(shù)量的不斷增大，極值的分布會(huì)逐漸收斂于特定的分布類型。廣義極值分布（GeneralizedExtremeValueDistribution，GEV）是經(jīng)典極值理論中的關(guān)鍵分布模型，它能夠統(tǒng)一描述各種情況下的極值分布。廣義極值分布的概率密度函數(shù)由三個(gè)參數(shù)決定，分別是位置參數(shù)\mu、尺度參數(shù)\sigma和形狀參數(shù)\xi。其概率密度函數(shù)表達(dá)式為：f(x;\mu,\sigma,\xi)=\frac{1}{\sigma}\left(1+\xi\frac{x-\mu}{\sigma}\right)^{-\frac{1}{\xi}-1}\exp\left(-\left(1+\xi\frac{x-\mu}{\sigma}\right)^{-\frac{1}{\xi}}\right)其中，1+\xi\frac{x-\mu}{\sigma}>0。位置參數(shù)\mu決定了分布的中心位置，它表示分布的均值或中位數(shù)所在的位置，反映了數(shù)據(jù)的集中趨勢(shì)；尺度參數(shù)\sigma控制著分布的離散程度，\sigma越大，數(shù)據(jù)的分布越分散，反之則越集中；形狀參數(shù)\xi則決定了分布的尾部特征，對(duì)分布的形態(tài)起著關(guān)鍵作用。根據(jù)形狀參數(shù)\xi的不同取值，廣義極值分布可以分為三種類型：Gumbel分布：當(dāng)\xi=0時(shí)，廣義極值分布退化為Gumbel分布。Gumbel分布適用于描述那些在一定范圍內(nèi)有界，但極值出現(xiàn)相對(duì)較為均勻的情況。在描述年最大風(fēng)速的分布時(shí)，Gumbel分布常常被使用。它的概率密度函數(shù)為：f(x;\mu,\sigma)=\frac{1}{\sigma}\exp\left(-\frac{x-\mu}{\sigma}-\exp\left(-\frac{x-\mu}{\sigma}\right)\right)Frechet分布：當(dāng)\xi>0時(shí)，為Frechet分布。Frechet分布具有厚尾特性，這意味著它更適合描述那些存在較大極端值的情況，極端事件發(fā)生的概率相對(duì)較高。在金融市場(chǎng)中，資產(chǎn)收益率的極端波動(dòng)情況有時(shí)可以用Frechet分布來刻畫，因?yàn)榻鹑谑袌?chǎng)中偶爾會(huì)出現(xiàn)大幅的漲跌，即存在較大的極端值。其概率密度函數(shù)為：f(x;\mu,\sigma,\xi)=\frac{\xi}{\sigma}\left(\frac{x-\mu}{\sigma}\right)^{-\xi-1}\exp\left(-\left(\frac{x-\mu}{\sigma}\right)^{-\xi}\right)，其中x>\mu。Weibull分布：當(dāng)\xi<0時(shí)，屬于Weibull分布。Weibull分布的尾部相對(duì)較薄，適用于描述極端值較少出現(xiàn)的情況。在材料強(qiáng)度的研究中，Weibull分布常用于描述材料在一定應(yīng)力下的失效概率，因?yàn)椴牧系膹?qiáng)度通常在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，極端低強(qiáng)度的情況相對(duì)較少。其概率密度函數(shù)為：f(x;\mu,\sigma,\xi)=\frac{|\xi|}{\sigma}\left(1-\frac{|\xi|(x-\mu)}{\sigma}\right)^{-\frac{1}{|\xi|}-1}\exp\left(-\left(1-\frac{|\xi|(x-\mu)}{\sigma}\right)^{-\frac{1}{|\xi|}}\right)，其中x<\mu+\frac{\sigma}{|\xi|}。在實(shí)際應(yīng)用中，準(zhǔn)確估計(jì)廣義極值分布的參數(shù)至關(guān)重要。常用的參數(shù)估計(jì)方法包括最大似然估計(jì)法（MaximumLikelihoodEstimation，MLE）和矩估計(jì)法（MethodofMoments，MoM）等。最大似然估計(jì)法通過最大化觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率來確定參數(shù)值。對(duì)于廣義極值分布，首先構(gòu)建似然函數(shù)L(\mu,\sigma,\xi)，它是關(guān)于樣本數(shù)據(jù)x_1,x_2,\cdots,x_n和參數(shù)\mu,\sigma,\xi的函數(shù)。通過對(duì)似然函數(shù)求導(dǎo)并令導(dǎo)數(shù)為零，得到方程組，求解該方程組即可得到參數(shù)的估計(jì)值。然而，在實(shí)際計(jì)算中，由于似然函數(shù)的復(fù)雜性，有時(shí)無法得到解析解，此時(shí)需要借助數(shù)值優(yōu)化算法，如牛頓-拉夫森法、擬牛頓法等進(jìn)行求解。矩估計(jì)法則是基于樣本矩與總體矩相等的原理。通過計(jì)算樣本數(shù)據(jù)的一階矩（均值）、二階矩（方差）等，使其與廣義極值分布的理論矩相等，從而建立方程組求解參數(shù)。矩估計(jì)法計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，但在小樣本情況下，其估計(jì)精度可能不如最大似然估計(jì)法。3.2.2基于極值理論的非高斯風(fēng)壓極值估計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域，準(zhǔn)確估計(jì)非高斯風(fēng)壓極值對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要?；跇O值理論的方法為非高斯風(fēng)壓極值估計(jì)提供了有效的途徑。采用基于極值理論的方法估計(jì)非高斯風(fēng)壓極值，首先需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通常將風(fēng)壓時(shí)程劃分為若干個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)子樣本。對(duì)于每個(gè)子樣本，提取其最大值（或最小值），這些子樣本的極值構(gòu)成一個(gè)新的數(shù)據(jù)集。這個(gè)新數(shù)據(jù)集反映了不同時(shí)間段內(nèi)風(fēng)壓的極端情況。通過對(duì)這些極值數(shù)據(jù)的分析，利用廣義極值分布進(jìn)行擬合。由于廣義極值分布能夠描述不同類型的極值分布特征，通過選擇合適的參數(shù)估計(jì)方法，如最大似然估計(jì)法，確定廣義極值分布的參數(shù)\mu、\sigma和\xi，從而得到風(fēng)壓極值的概率分布模型。以某高層建筑風(fēng)洞試驗(yàn)為例，在試驗(yàn)中對(duì)建筑表面多個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)壓測(cè)量，獲取了大量的風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)按每10分鐘劃分為一個(gè)子樣本，提取每個(gè)子樣本的最大值，得到一組極值數(shù)據(jù)。運(yùn)用最大似然估計(jì)法對(duì)這些極值數(shù)據(jù)進(jìn)行廣義極值分布擬合，得到參數(shù)估計(jì)值。通過擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，驗(yàn)證廣義極值分布對(duì)該組極值數(shù)據(jù)的擬合效果。結(jié)果顯示，擬合得到的廣義極值分布能夠較好地描述該高層建筑表面風(fēng)壓極值的分布情況?；诘玫降膹V義極值分布模型，就可以對(duì)不同重現(xiàn)期下的風(fēng)壓極值進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，確定所需的重現(xiàn)期，如50年一遇、100年一遇等。通過廣義極值分布的累積分布函數(shù)，計(jì)算在相應(yīng)重現(xiàn)期下的風(fēng)壓極值，為建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的風(fēng)荷載取值。與其他方法相比，基于極值理論的非高斯風(fēng)壓極值估計(jì)方法具有一定的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的基于高斯分布假設(shè)的峰值因子法相比，峰值因子法在處理非高斯風(fēng)壓時(shí)存在局限性，因?yàn)樗诟咚狗植嫉奶匦?，無法準(zhǔn)確反映非高斯風(fēng)壓的實(shí)際分布情況，容易導(dǎo)致極值風(fēng)壓的低估或高估。而基于極值理論的方法能夠直接針對(duì)風(fēng)壓的極值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，充分考慮了風(fēng)壓的非高斯特性，更能準(zhǔn)確地描述風(fēng)壓極值的分布規(guī)律，從而得到更合理的極值風(fēng)壓估計(jì)值。然而，基于極值理論的方法也并非完美無缺。它對(duì)數(shù)據(jù)的要求較高，需要足夠長(zhǎng)的風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)來保證子樣本的數(shù)量和質(zhì)量，以確保極值數(shù)據(jù)的可靠性和代表性。在實(shí)際工程中，可能由于測(cè)量條件的限制，無法獲取足夠長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)，這會(huì)影響該方法的應(yīng)用效果。此外，該方法的計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜，涉及到參數(shù)估計(jì)和擬合優(yōu)度檢驗(yàn)等步驟，需要較高的計(jì)算資源和專業(yè)知識(shí)。3.3基于頻譜分析的方法3.3.1風(fēng)壓功率譜密度的計(jì)算與分析風(fēng)壓功率譜密度（PowerSpectralDensity，PSD）是描述風(fēng)壓信號(hào)在頻域上能量分布的重要工具，它能夠揭示風(fēng)壓信號(hào)中不同頻率成分的能量貢獻(xiàn)，對(duì)于深入理解建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的特性具有重要意義。計(jì)算風(fēng)壓功率譜密度的常用方法是基于傅里葉變換的快速傅里葉變換（FastFourierTransform，F(xiàn)FT）算法。對(duì)于一個(gè)離散的風(fēng)壓時(shí)程序列p(t_i)，i=1,2,\cdots,n，其中t_i是采樣時(shí)刻，n為采樣點(diǎn)數(shù)，通過FFT算法可以將其從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，得到對(duì)應(yīng)的頻譜P(f_j)，j=1,2,\cdots,n/2，這里f_j是頻率。功率譜密度S(f_j)則通過對(duì)頻譜P(f_j)進(jìn)行進(jìn)一步處理得到，其計(jì)算公式為：S(f_j)=\frac{1}{n\Deltat}|P(f_j)|^2其中，\Deltat是采樣時(shí)間間隔。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高計(jì)算精度和穩(wěn)定性，通常會(huì)采用一些數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如加窗處理。加窗處理是在進(jìn)行傅里葉變換之前，對(duì)風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)乘以一個(gè)窗函數(shù)，常見的窗函數(shù)有漢寧窗、漢明窗、布萊克曼窗等。窗函數(shù)的作用是減少頻譜泄漏現(xiàn)象，使計(jì)算得到的功率譜密度更加準(zhǔn)確地反映風(fēng)壓信號(hào)的真實(shí)頻率特性。以漢寧窗為例，其表達(dá)式為：w(i)=0.5-0.5\cos\left(\frac{2\pii}{n-1}\right)，i=0,1,\cdots,n-1在計(jì)算功率譜密度時(shí)，先將風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)p(t_i)與漢寧窗函數(shù)w(i)相乘，然后再進(jìn)行FFT變換和功率譜密度計(jì)算。風(fēng)壓功率譜密度在非高斯特性分析中具有重要作用。它可以幫助識(shí)別風(fēng)壓信號(hào)中的主要頻率成分，這些頻率成分與建筑結(jié)構(gòu)周圍的流場(chǎng)特性密切相關(guān)。在存在漩渦脫落的區(qū)域，風(fēng)壓功率譜密度會(huì)在漩渦脫落頻率處出現(xiàn)明顯的峰值。通過分析功率譜密度的峰值頻率，可以確定漩渦脫落的頻率，進(jìn)而了解氣流的流動(dòng)狀態(tài)和非高斯風(fēng)壓的產(chǎn)生機(jī)制。在某高層建筑的風(fēng)洞試驗(yàn)中，對(duì)其表面風(fēng)壓進(jìn)行測(cè)量和功率譜密度計(jì)算。發(fā)現(xiàn)在建筑的拐角處，功率譜密度在某一特定頻率處出現(xiàn)了顯著的峰值，經(jīng)過分析確定該頻率與氣流在拐角處產(chǎn)生的漩渦脫落頻率一致。這表明在該區(qū)域，漩渦脫落是導(dǎo)致風(fēng)壓呈現(xiàn)非高斯特性的重要原因。此外，功率譜密度還可以用于比較不同測(cè)點(diǎn)或不同工況下的風(fēng)壓特性。通過對(duì)比不同位置的功率譜密度曲線，可以了解風(fēng)壓在空間上的變化規(guī)律，以及非高斯特性在不同區(qū)域的表現(xiàn)差異。在不同風(fēng)攻角下，建筑表面不同測(cè)點(diǎn)的功率譜密度曲線會(huì)發(fā)生變化，反映出風(fēng)攻角對(duì)風(fēng)壓非高斯特性的影響。3.3.2頻譜特征與非高斯特性的關(guān)聯(lián)頻譜特征與建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的非高斯特性之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系。在頻域中，非高斯風(fēng)壓往往具有一些獨(dú)特的頻譜特征，這些特征可以作為判斷風(fēng)壓非高斯特性的重要依據(jù)。非高斯風(fēng)壓的頻譜通常表現(xiàn)出較寬的頻帶和復(fù)雜的頻率成分。與高斯風(fēng)壓相比，非高斯風(fēng)壓在高頻段的能量分布更為豐富。這是因?yàn)樵诜歉咚癸L(fēng)壓的形成過程中，涉及到氣流的分離、漩渦脫落和流動(dòng)再附等復(fù)雜現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生各種不同頻率的脈動(dòng)，從而導(dǎo)致風(fēng)壓信號(hào)在頻域上的能量分布更加分散。在大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的邊緣區(qū)域，由于氣流分離和再附現(xiàn)象較為頻繁，該區(qū)域的風(fēng)壓頻譜在高頻段存在較多的能量，呈現(xiàn)出明顯的非高斯特性。頻譜中的峰值特征也與非高斯特性密切相關(guān)。如前文所述，在存在漩渦脫落的區(qū)域，風(fēng)壓功率譜密度會(huì)在漩渦脫落頻率處出現(xiàn)峰值。這種峰值的出現(xiàn)不僅表明了漩渦脫落現(xiàn)象的存在，還反映了風(fēng)壓的非周期性和不規(guī)則性，這是非高斯特性的重要表現(xiàn)。當(dāng)漩渦脫落頻率與建筑結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時(shí)，可能會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)的共振，進(jìn)一步加劇風(fēng)壓的非高斯特性和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。在某橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，橋塔表面的風(fēng)壓功率譜密度在某一頻率處出現(xiàn)峰值，該頻率與橋塔的一階固有頻率接近。在這種情況下，橋塔的振動(dòng)響應(yīng)明顯增大，風(fēng)壓的非高斯特性也更加顯著。通過頻譜分析判斷非高斯特性的一個(gè)實(shí)際案例是對(duì)某超高層建筑的風(fēng)荷載研究。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，對(duì)建筑表面多個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算其功率譜密度。對(duì)于位于建筑迎風(fēng)面中部的測(cè)點(diǎn)，其功率譜密度曲線相對(duì)較為平滑，主要能量集中在低頻段，且在高頻段能量迅速衰減，這表明該測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓具有近似高斯分布的特征，氣流流動(dòng)相對(duì)較為穩(wěn)定。而對(duì)于位于建筑角部的測(cè)點(diǎn)，功率譜密度曲線呈現(xiàn)出復(fù)雜的形態(tài)，不僅在低頻段有能量分布，在高頻段也存在多個(gè)峰值，頻帶較寬。這說明該測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓受到氣流分離、漩渦脫落等因素的強(qiáng)烈影響，呈現(xiàn)出明顯的非高斯特性。通過對(duì)頻譜特征的分析，能夠準(zhǔn)確地判斷出建筑表面不同區(qū)域風(fēng)壓的非高斯特性，為后續(xù)的風(fēng)荷載計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于呈現(xiàn)非高斯特性的區(qū)域，采用了更符合其風(fēng)壓分布特點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，以確保結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的安全性和可靠性。四、不同類型建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓非高斯特性分析實(shí)例4.1高層建筑4.1.1工程概況與風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)置本研究選取了位于某城市中心區(qū)域的一棟超高層建筑作為研究對(duì)象。該建筑高度為250m，共60層，平面形狀為矩形，長(zhǎng)80m，寬40m。建筑的外立面采用玻璃幕墻，結(jié)構(gòu)體系為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式在高層建筑中較為常見，具有良好的抗側(cè)力性能，但在風(fēng)荷載作用下，其表面風(fēng)壓分布較為復(fù)雜。為了深入研究該高層建筑表面風(fēng)壓的非高斯特性，進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)在某大型邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，該風(fēng)洞具有良好的流場(chǎng)品質(zhì)，能夠準(zhǔn)確模擬不同地貌條件下的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶凑?:300的幾何縮尺比制作，采用有機(jī)玻璃材料，以保證模型的剛度和表面光滑度。在模型表面共布置了300個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布均勻，覆蓋了建筑的各個(gè)立面和不同高度位置。其中，在迎風(fēng)面布置了100個(gè)測(cè)點(diǎn)，背風(fēng)面布置了80個(gè)測(cè)點(diǎn)，兩個(gè)側(cè)風(fēng)面各布置了60個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)的布置考慮了建筑的幾何特征和可能出現(xiàn)的氣流分離、漩渦脫落等區(qū)域，以獲取更全面的風(fēng)壓數(shù)據(jù)。在建筑的角部和邊緣區(qū)域，測(cè)點(diǎn)布置更為密集，因?yàn)檫@些區(qū)域通常是風(fēng)壓變化較為劇烈、非高斯特性可能更為顯著的地方。風(fēng)場(chǎng)模擬采用尖劈和粗糙元相結(jié)合的方法，模擬了B類地貌的平均風(fēng)速剖面和湍流度剖面。B類地貌代表了有密集建筑群的城市市區(qū)，是該高層建筑所處的典型地貌類型。試驗(yàn)中，參考高度取模型頂部高度，參考風(fēng)速設(shè)定為15m/s，以模擬該地區(qū)常見的強(qiáng)風(fēng)工況。通過調(diào)節(jié)尖劈和粗糙元的布置，使風(fēng)洞中的平均風(fēng)速剖面和湍流度剖面與B類地貌的標(biāo)準(zhǔn)分布相符合。在試驗(yàn)前，對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)的校準(zhǔn)和測(cè)量，確保風(fēng)場(chǎng)參數(shù)滿足試驗(yàn)要求。壓力測(cè)試儀器采用高精度的電子掃描閥，采樣頻率設(shè)定為500Hz，采集時(shí)間為60s。這樣的采樣頻率和采集時(shí)間能夠準(zhǔn)確捕捉到風(fēng)壓的脈動(dòng)特性，獲取足夠的數(shù)據(jù)用于后續(xù)的非高斯特性分析。電子掃描閥能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)量模型表面各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓，將風(fēng)壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)。4.1.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與非高斯特性研究對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)采集到的300個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的處理和分析。計(jì)算各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程的均值、方差、偏度和峰度等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。通過對(duì)這些統(tǒng)計(jì)參數(shù)的分析，初步判斷各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓是否具有非高斯特性。對(duì)于某一測(cè)點(diǎn)，若其偏度絕對(duì)值大于0.5且峰度絕對(duì)值大于1（與正態(tài)分布的偏度0和峰度3相比有明顯差異），則認(rèn)為該測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓具有非高斯特性。在建筑的迎風(fēng)面拐角處，多個(gè)測(cè)點(diǎn)的偏度達(dá)到了1.2以上，峰度超過了4，表明這些區(qū)域的風(fēng)壓呈現(xiàn)出顯著的非高斯特性。這是由于在迎風(fēng)面拐角處，氣流受到建筑形狀的強(qiáng)烈阻擋，發(fā)生了明顯的分離和漩渦脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)壓分布極不規(guī)則，呈現(xiàn)出非高斯特征。采用概率密度函數(shù)估計(jì)的方法，對(duì)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。通過比較擬合得到的概率密度函數(shù)與正態(tài)分布概率密度函數(shù)的差異，進(jìn)一步驗(yàn)證風(fēng)壓的非高斯特性。在背風(fēng)面的部分區(qū)域，擬合得到的概率密度函數(shù)呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性，峰值偏離正態(tài)分布的位置，且尾部較正態(tài)分布更厚，說明這些區(qū)域的風(fēng)壓不符合正態(tài)分布，具有非高斯特性。這是因?yàn)楸筹L(fēng)面處于建筑的尾流區(qū)域，氣流紊亂，風(fēng)壓波動(dòng)較大，導(dǎo)致概率分布偏離正態(tài)分布。利用偏度和峰度作為判斷指標(biāo)，對(duì)建筑表面風(fēng)壓的高斯區(qū)域與非高斯區(qū)域進(jìn)行了劃分。在高斯區(qū)域，風(fēng)壓時(shí)程的偏度和峰度接近正態(tài)分布的理論值，氣流流動(dòng)相對(duì)較為平穩(wěn)，風(fēng)壓分布較為規(guī)則。在非高斯區(qū)域，偏度和峰度與正態(tài)分布理論值相差較大，氣流存在明顯的分離、漩渦脫落等現(xiàn)象，風(fēng)壓分布呈現(xiàn)出明顯的非高斯特征。劃分結(jié)果顯示，建筑的角部、邊緣區(qū)域以及背風(fēng)面大部分區(qū)域?qū)儆诜歉咚箙^(qū)域，而迎風(fēng)面中間部分和側(cè)風(fēng)面的部分區(qū)域?qū)儆诟咚箙^(qū)域。在迎風(fēng)面中間部分，氣流相對(duì)較為穩(wěn)定，沒有明顯的氣流分離和漩渦脫落現(xiàn)象，因此風(fēng)壓呈現(xiàn)出近似高斯分布的特征；而在角部和邊緣區(qū)域，由于氣流的復(fù)雜流動(dòng)，風(fēng)壓的非高斯特性顯著。4.1.3結(jié)果討論與工程應(yīng)用建議通過對(duì)該高層建筑風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到了一些重要的研究結(jié)果。建筑表面風(fēng)壓的非高斯特性主要集中在角部、邊緣和背風(fēng)面等區(qū)域，這些區(qū)域的風(fēng)壓極值明顯大于基于高斯分布假設(shè)計(jì)算得到的值。在迎風(fēng)面拐角處，考慮非高斯特性后的風(fēng)壓極值比傳統(tǒng)基于高斯分布計(jì)算的極值高出了30%左右，這表明在這些區(qū)域，若忽略風(fēng)壓的非高斯特性，按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行風(fēng)荷載取值，可能會(huì)嚴(yán)重低估結(jié)構(gòu)所承受的風(fēng)荷載，從而給結(jié)構(gòu)安全帶來隱患?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，為該高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提出以下建議：風(fēng)荷載取值：對(duì)于非高斯區(qū)域，應(yīng)采用考慮非高斯特性的風(fēng)荷載取值方法。可以基于極值理論，如廣義極值分布等，對(duì)非高斯區(qū)域的風(fēng)壓極值進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。根據(jù)前文對(duì)廣義極值分布的介紹，通過對(duì)非高斯區(qū)域風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)的分析，確定廣義極值分布的參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出不同重現(xiàn)期下的風(fēng)壓極值。對(duì)于重現(xiàn)期為50年的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，在非高斯區(qū)域，利用廣義極值分布計(jì)算得到的風(fēng)壓極值比傳統(tǒng)方法更為準(zhǔn)確，能夠更好地反映實(shí)際風(fēng)荷載情況。在背風(fēng)面非高斯區(qū)域，采用廣義極值分布計(jì)算得到的風(fēng)壓極值比傳統(tǒng)基于高斯分布的方法高出了20%-40%，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)采用基于廣義極值分布的風(fēng)荷載取值，以確保結(jié)構(gòu)的安全性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施：在非高斯區(qū)域，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)造措施，提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力。對(duì)于玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，增加幕墻面板的厚度和強(qiáng)度，加強(qiáng)幕墻與主體結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，采用更堅(jiān)固的連接件和密封材料，以抵抗非高斯風(fēng)壓產(chǎn)生的較大吸力和壓力。在建筑的角部和邊緣區(qū)域，設(shè)置加強(qiáng)肋或支撐構(gòu)件，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的局部剛度，減小結(jié)構(gòu)在非高斯風(fēng)壓作用下的變形和應(yīng)力集中。在某高層建筑的實(shí)際設(shè)計(jì)中，在角部區(qū)域增加了鋼支撐，使該區(qū)域在風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力降低了15%-25%，有效提高了結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能。監(jiān)測(cè)與維護(hù)：在建筑建成后，對(duì)非高斯區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期的風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的實(shí)際情況。通過在非高斯區(qū)域布置風(fēng)壓傳感器，實(shí)時(shí)采集風(fēng)壓數(shù)據(jù)，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比分析。建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下可能出現(xiàn)的安全隱患。當(dāng)監(jiān)測(cè)到風(fēng)壓異?；蚪Y(jié)構(gòu)變形超過允許范圍時(shí)，及時(shí)采取相應(yīng)的維護(hù)和加固措施。某高層建筑在建成后的監(jiān)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)背風(fēng)面部分區(qū)域的風(fēng)壓超過了設(shè)計(jì)值，通過對(duì)幕墻連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固和增加支撐，有效保障了結(jié)構(gòu)的安全。4.2大跨屋蓋結(jié)構(gòu)4.2.1項(xiàng)目背景與研究方法選擇本研究選取的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)為某大型體育場(chǎng)館的屋蓋，該體育場(chǎng)館是一座具有國(guó)際水準(zhǔn)的綜合性體育賽事舉辦場(chǎng)所，其屋蓋結(jié)構(gòu)形式獨(dú)特，采用了空間管桁架結(jié)構(gòu)，跨度達(dá)到120m，覆蓋面積超過10000平方米。這種大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代體育建筑中應(yīng)用廣泛，但其在風(fēng)荷載作用下的安全性問題備受關(guān)注。由于大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的跨度大、剛度相對(duì)較小，風(fēng)荷載對(duì)其影響顯著，且屋蓋表面風(fēng)壓分布復(fù)雜，呈現(xiàn)出明顯的非高斯特性。在實(shí)際工程中，若忽略這種非高斯特性，按照傳統(tǒng)的基于高斯分布的風(fēng)荷載計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性無法得到有效保障，出現(xiàn)屋面板被掀翻、檁條變形等安全隱患。為了深入研究該大跨屋蓋表面風(fēng)壓的非高斯特性，采用了風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌蜉^為真實(shí)地模擬大跨屋蓋在自然風(fēng)場(chǎng)中的受力情況，通過在屋蓋模型表面布置大量測(cè)壓點(diǎn)，可獲取不同工況下屋蓋表面各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶凑?:150的幾何縮尺比制作，采用輕質(zhì)鋁合金材料，以保證模型的剛度和表面粗糙度符合相似性要求。在屋蓋模型表面共布置了200個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布均勻，覆蓋了屋蓋的各個(gè)區(qū)域，包括迎風(fēng)前緣、背風(fēng)區(qū)、屋脊和屋檐等易出現(xiàn)非高斯風(fēng)壓的關(guān)鍵部位。試驗(yàn)在某大型邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，模擬了C類地貌的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)，參考高度取模型頂部高度，參考風(fēng)速設(shè)定為18m/s。壓力測(cè)試儀器采用高精度的電子壓力掃描閥，采樣頻率為500Hz，采集時(shí)間為60s。數(shù)值模擬則利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，對(duì)大跨屋蓋周圍的流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，得到屋蓋表面的風(fēng)壓分布。采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，選擇k-ε湍流模型來模擬湍流流動(dòng)，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過建立詳細(xì)的屋蓋結(jié)構(gòu)三維模型，設(shè)定合理的邊界條件和初始條件，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。將風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，可以相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，提高研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以為數(shù)值模擬提供驗(yàn)證依據(jù)，確保數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性；而數(shù)值模擬則可以對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)難以測(cè)量的區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)分析，深入研究風(fēng)壓的分布規(guī)律和非高斯特性的形成機(jī)理。4.2.2非高斯特性分析過程與結(jié)果對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以研究大跨屋蓋表面風(fēng)壓的非高斯特性。在數(shù)據(jù)處理過程中，首先對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)采集到的風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除高頻噪聲干擾，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。然后計(jì)算各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程的均值、方差、偏度和峰度等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。通過對(duì)這些統(tǒng)計(jì)參數(shù)的分析，判斷各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓是否具有非高斯特性。當(dāng)某測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓的偏度絕對(duì)值大于0.5且峰度絕對(duì)值大于1時(shí)，認(rèn)為該測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓具有非高斯特性。在數(shù)值模擬方面，對(duì)模擬得到的風(fēng)壓分布結(jié)果進(jìn)行后處理，提取各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓數(shù)據(jù)，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果表明，大跨屋蓋表面風(fēng)壓存在明顯的非高斯特性。在屋蓋的迎風(fēng)前緣和拐角區(qū)域，偏度和峰度的絕對(duì)值較大，表明這些區(qū)域的風(fēng)壓呈現(xiàn)出顯著的非高斯分布。在迎風(fēng)前緣，由于氣流的強(qiáng)烈分離和漩渦脫落，風(fēng)壓時(shí)程的變化極為劇烈，導(dǎo)致偏度和峰度偏離正態(tài)分布的理論值。在背風(fēng)區(qū)，由于尾流的影響，風(fēng)壓分布也呈現(xiàn)出一定的非高斯特性。通過對(duì)比不同區(qū)域的風(fēng)壓非高斯特性，發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)前緣的非高斯特性最為顯著，其偏度可達(dá)到1.5以上，峰度超過4。而在屋蓋的中心區(qū)域，風(fēng)壓分布相對(duì)較為規(guī)則，偏度和峰度接近正態(tài)分布的理論值，呈現(xiàn)出近似高斯分布的特征?；谄群头宥鹊姆治鼋Y(jié)果，對(duì)大跨屋蓋表面風(fēng)壓的高斯區(qū)域和非高斯區(qū)域進(jìn)行了劃分。劃分結(jié)果顯示，非高斯區(qū)域主要集中在屋蓋的迎風(fēng)前緣、拐角和背風(fēng)區(qū)等部位，這些區(qū)域的風(fēng)壓極值明顯大于基于高斯分布假設(shè)計(jì)算得到的值。在設(shè)計(jì)中，若忽略這些區(qū)域的非高斯特性，按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行風(fēng)荷載取值，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在實(shí)際風(fēng)荷載作用下出現(xiàn)安全問題。4.2.3對(duì)大跨屋蓋抗風(fēng)設(shè)計(jì)的啟示本研究結(jié)果對(duì)大跨屋蓋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。在風(fēng)荷載取值方面，對(duì)于非高斯區(qū)域，應(yīng)采用考慮非高斯特性的風(fēng)荷載取值方法?；跇O值理論，利用廣義極值分布對(duì)非高斯區(qū)域的風(fēng)壓極值進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。通過對(duì)大跨屋蓋非高斯區(qū)域風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)的分析，確定廣義極值分布的參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出不同重現(xiàn)期下的風(fēng)壓極值。對(duì)于重現(xiàn)期為100年的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，在非高斯區(qū)域，采用廣義極值分布計(jì)算得到的風(fēng)壓極值比傳統(tǒng)基于高斯分布的方法高出了25%-40%。因此，在抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域的風(fēng)壓特性，合理選擇風(fēng)荷載取值方法，確保結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的安全性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施上，針對(duì)非高斯區(qū)域風(fēng)壓較大的特點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)這些區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在屋蓋的迎風(fēng)前緣和拐角區(qū)域，增加檁條和屋面板的強(qiáng)度和剛度，采用更厚的板材和更強(qiáng)的連接件，以提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力。在某大跨屋蓋的實(shí)際設(shè)計(jì)中，在迎風(fēng)前緣將檁條的截面尺寸增大了20%，并采用了高強(qiáng)度的螺栓連接，使該區(qū)域在風(fēng)荷載作用下的變形和應(yīng)力顯著降低。同時(shí)，優(yōu)化屋蓋的整體結(jié)構(gòu)形式，增加結(jié)構(gòu)的冗余度，提高結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，以應(yīng)對(duì)非高斯風(fēng)壓可能帶來的不利影響。在抗風(fēng)設(shè)計(jì)建議方面，建議在大跨屋蓋的設(shè)計(jì)階段，充分考慮風(fēng)壓的非高斯特性，進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，準(zhǔn)確掌握屋蓋表面風(fēng)壓的分布規(guī)律和非高斯特性。在設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合考慮非高斯特性的風(fēng)荷載取值方法和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，確保結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在建筑建成后，應(yīng)建立長(zhǎng)期的風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)非高斯區(qū)域的風(fēng)壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下可能出現(xiàn)的安全隱患，并采取相應(yīng)的維護(hù)和加固措施。4.3異形曲面結(jié)構(gòu)4.3.1異形曲面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與風(fēng)荷載特性異形曲面結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，其獨(dú)特的造型賦予建筑強(qiáng)烈的藝術(shù)感和視覺沖擊力，成為城市中獨(dú)特的地標(biāo)性建筑。這類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)十分顯著，首先，異形曲面結(jié)構(gòu)的幾何形狀復(fù)雜多變，與傳統(tǒng)的規(guī)則結(jié)構(gòu)截然不同。其曲面可能由多種不同的曲線或曲面組合而成，不存在明顯的對(duì)稱軸或規(guī)則的幾何特征。某藝術(shù)博物館的屋面采用了雙曲拋物面與扭曲面相結(jié)合的異形曲面結(jié)構(gòu)，其形狀猶如流動(dòng)的彩帶，這種復(fù)雜的幾何形狀使得結(jié)構(gòu)表面的氣流流動(dòng)極為復(fù)雜。其次，異形曲面結(jié)構(gòu)通常具有較大的跨度和空間，以滿足建筑內(nèi)部的大空間使用需求。如大型展覽館的異形曲面屋蓋，跨度可達(dá)數(shù)百米，為展覽活動(dòng)提供了寬敞的空間。然而，這種大跨度和空間也使得結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的受力狀態(tài)更加復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能提出了更高的要求。異形曲面結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比存在明顯差異。由于其復(fù)雜的幾何形狀，氣流在流經(jīng)結(jié)構(gòu)表面時(shí)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的分離、漩渦脫落和流動(dòng)再附等現(xiàn)象。在異形曲面的拐角處和邊緣部位，氣流分離現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，導(dǎo)致局部風(fēng)壓急劇變化。在某異形曲面建筑的拐角處，氣流分離形成了強(qiáng)大的漩渦，使得該區(qū)域的風(fēng)壓出現(xiàn)了大幅度的波動(dòng)，呈現(xiàn)出明顯的非高斯特性。這些復(fù)雜的氣流現(xiàn)象導(dǎo)致異形曲面結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布極不均勻，不同部位的風(fēng)壓大小和方向差異較大。在屋面的迎風(fēng)面和背風(fēng)面，風(fēng)壓可能呈現(xiàn)出完全相反的作用，迎風(fēng)面受到較大的壓力，而背風(fēng)面則承受較大的吸力。異形曲面結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓呈現(xiàn)非高斯特性的原因主要有以下幾點(diǎn)。氣流在異形曲面結(jié)構(gòu)表面的復(fù)雜流動(dòng)是導(dǎo)致非高斯特性的直接原因。如前文所述，氣流的分離、漩渦脫落和流動(dòng)再附等現(xiàn)象使得風(fēng)壓的時(shí)間歷程變得不規(guī)則，不再符合高斯分布的特征。異形曲面結(jié)構(gòu)的獨(dú)特幾何形狀使得結(jié)構(gòu)周圍的流場(chǎng)呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的三維特性，不同方向的氣流相互作用，進(jìn)一步加劇了風(fēng)壓的非高斯特性。某異形曲面結(jié)構(gòu)的屋面存在多個(gè)起伏和扭轉(zhuǎn)，使得氣流在不同方向上的流動(dòng)相互干擾，風(fēng)壓分布更加復(fù)雜。此外，風(fēng)速的脈動(dòng)和湍流強(qiáng)度的變化也會(huì)對(duì)異形曲面結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的非高斯特性產(chǎn)生影響。在強(qiáng)風(fēng)條件下，風(fēng)速的脈動(dòng)加劇，湍流強(qiáng)度增大，使得風(fēng)壓的波動(dòng)更加劇烈，非高斯特性更加明顯。4.3.2數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證為了深入研究異形曲面結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的非高斯特性，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法。在數(shù)值模擬方面，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件對(duì)異形曲面結(jié)構(gòu)周圍的流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。以某異形曲面體育館為例，建立詳細(xì)的三維模型，模型尺寸按照實(shí)際建筑的1:100比例進(jìn)行縮放。采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，選擇SSTk-ω湍流模型來模擬湍流流動(dòng)，該模型在處理復(fù)雜邊界層流動(dòng)和分離流動(dòng)時(shí)具有較好的準(zhǔn)確性。在模擬過程中，設(shè)置入口邊界條件為速度入口，根據(jù)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)情況設(shè)定風(fēng)速和湍流強(qiáng)度；出口邊界條件為壓力出口；壁面邊界條件采用無滑移邊界條件。通過數(shù)值模擬，得到了異形曲面體育館表面的風(fēng)壓分布和時(shí)程數(shù)據(jù)。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)體育館屋面的迎風(fēng)前緣和拐角區(qū)域，風(fēng)壓的偏度和峰度較大，呈現(xiàn)出明顯的非高斯特性。在迎風(fēng)前緣，由于氣流的強(qiáng)烈分離，風(fēng)壓時(shí)程曲線出現(xiàn)了大量的尖峰和低谷，偏度達(dá)到了1.8，峰度為5.2，與正態(tài)分布的理論值相差甚遠(yuǎn)。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。制作了與數(shù)值模擬模型相同比例的剛性模型，采用輕質(zhì)鋁合金材料制作，以保證模型的剛度和表面粗糙度符合試驗(yàn)要求。在模型表面布置了150個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布均勻，覆蓋了屋面的各個(gè)區(qū)域，包括迎風(fēng)前緣、背風(fēng)區(qū)、屋脊和屋檐等關(guān)鍵部位。試驗(yàn)在某大型邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，模擬了B類地貌的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)，參考高度取模型頂部高度，參考風(fēng)速設(shè)定為15m/s。壓力測(cè)試儀器采用高精度的電子壓力掃描閥，采樣頻率為500Hz，采集時(shí)間為60s。對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程的均值、方差、偏度和峰度等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。結(jié)果表明，風(fēng)洞試驗(yàn)得到的風(fēng)壓非高斯特性與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。在迎風(fēng)前緣和拐角區(qū)域，試驗(yàn)測(cè)得的風(fēng)壓偏度和峰度與數(shù)值模擬結(jié)果的誤差在10%以內(nèi)。通過對(duì)比不同測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程曲線，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬能夠較好地捕捉到風(fēng)壓的波動(dòng)特征和非高斯特性。在某測(cè)點(diǎn)處，數(shù)值模擬得到的風(fēng)壓時(shí)程曲線與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果在趨勢(shì)和幅值上都具有較高的吻合度。數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，CFD數(shù)值模擬方法能夠有效地預(yù)測(cè)異形曲面結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的非高斯特性，為異形曲面結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。同時(shí)，風(fēng)洞試驗(yàn)也驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，兩者相互補(bǔ)充，為深入研究異形曲面結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性提供了有力的手段。4.3.3設(shè)計(jì)優(yōu)化建議基于對(duì)異形曲面結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓非高斯特性的研究結(jié)果，為異形曲面結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提出以下優(yōu)化建議：風(fēng)荷載取值優(yōu)化：在抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于異形曲面結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)非高斯特性的區(qū)域，應(yīng)采用考慮非高斯特性的風(fēng)荷載取值方法。基于極值理論，利用廣義極值分布對(duì)非高斯區(qū)域的風(fēng)壓極值進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。通過對(duì)異形曲面結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的分析，確定廣義極值分布的參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出不同重現(xiàn)期下的風(fēng)壓極值。對(duì)于重現(xiàn)期為50年的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，在非高斯區(qū)域，采用廣義極值分布計(jì)算得到的風(fēng)壓極值比傳統(tǒng)基于高斯分布的方法高出了30%-50%。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域的風(fēng)壓特性，合理選擇風(fēng)荷載取值方法，確保結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的安全性。結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化：優(yōu)化異形曲面結(jié)構(gòu)的形式，減少氣流分離和漩渦脫落現(xiàn)象的發(fā)生。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用流線型的曲面形狀，使氣流能夠更加順暢地流過結(jié)構(gòu)表面，降低風(fēng)壓的非高斯特性。在某異形曲面建筑的設(shè)計(jì)中，將原來較為尖銳的拐角改為圓角過渡，通過數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)氣流分離現(xiàn)象明顯減輕，風(fēng)壓的非高斯特性得到了改善，結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布更加均勻。此外，合理設(shè)置結(jié)構(gòu)的支撐和加強(qiáng)構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性，也有助于抵抗非高斯風(fēng)壓產(chǎn)生的不利影響。局部構(gòu)造加強(qiáng)：針對(duì)異形曲面結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓較大的區(qū)域，加強(qiáng)局部構(gòu)造措施。在屋面的迎風(fēng)前緣和拐角區(qū)域，增加屋面板的厚度和強(qiáng)度，采用更堅(jiān)固的連接件和密封材料，以提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力。在某異形曲面屋蓋的實(shí)際工程中，在迎風(fēng)前緣采用了雙層屋面板，并增加了連接件的數(shù)量和強(qiáng)度，使該區(qū)域在風(fēng)荷載作用下的變形和應(yīng)力顯著降低。同時(shí)，在這些區(qū)域設(shè)置加強(qiáng)肋或支撐構(gòu)件，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的局部剛度，減小結(jié)構(gòu)在非高斯風(fēng)壓作用下的變形和應(yīng)力集中。監(jiān)測(cè)與維護(hù)：在異形曲面結(jié)構(gòu)建成后，建立長(zhǎng)期的風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過在結(jié)構(gòu)表面布置風(fēng)壓傳感器，實(shí)時(shí)采集風(fēng)壓數(shù)據(jù)，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比分析。建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下可能出現(xiàn)的安全隱患。當(dāng)監(jiān)測(cè)到風(fēng)壓異常或結(jié)構(gòu)變形超過允許范圍時(shí)，及時(shí)采取相應(yīng)的維護(hù)和加固措施。某異形曲面建筑在建成后的監(jiān)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)屋面部分區(qū)域的風(fēng)壓超過了設(shè)計(jì)值，通過對(duì)屋面板進(jìn)行加固和增加支撐，有效保障了結(jié)構(gòu)的安全。五、建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓非高斯特性分析方法的對(duì)比與評(píng)價(jià)5.1不同分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較不同的建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓非高斯特性分析方法在準(zhǔn)確性、計(jì)算復(fù)雜度和適用范圍等方面存在顯著差異?；诟唠A統(tǒng)計(jì)量的分析方法，其準(zhǔn)確性體現(xiàn)在能夠通過偏度和峰度等統(tǒng)計(jì)量精確地刻畫風(fēng)壓分布的非高斯特征，從而準(zhǔn)確判斷風(fēng)壓是否呈現(xiàn)非高斯特性以及非高斯特性的程度。在某高層建筑風(fēng)洞試驗(yàn)中，通過計(jì)算偏度和峰度，清晰地識(shí)別出建筑角部等區(qū)域的風(fēng)壓具有明顯非高斯特性，與實(shí)際流場(chǎng)情況相符。該方法的計(jì)算過程相對(duì)簡(jiǎn)單，只需對(duì)風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算即可得到偏度和峰度值。其適用范圍較廣，幾乎適用于所有類型的建筑結(jié)構(gòu)，無論是高層建筑、大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)還是異形曲面結(jié)構(gòu)等，都可以運(yùn)用該方法進(jìn)行非高斯特性分析。但它也存在一定局限性，對(duì)于復(fù)雜的非高斯分布，僅依靠偏度和峰度可能無法全面準(zhǔn)確地描述其特征，且難以直接用于風(fēng)壓極值的估計(jì)。基于極值理論的分析方法在準(zhǔn)確性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，它能夠直接針對(duì)風(fēng)壓的極值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用廣義極值分布等模型準(zhǔn)確地估計(jì)非高斯風(fēng)壓的極值。在大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，通過該方法計(jì)算得到的風(fēng)壓極值比傳統(tǒng)方法更符合實(shí)際情況，有效提高了結(jié)構(gòu)的安全性。不過，該方法的計(jì)算復(fù)雜度較高，需要進(jìn)行復(fù)雜的參數(shù)估計(jì)和擬合優(yōu)度檢驗(yàn)等操作，對(duì)計(jì)算資源和專業(yè)知識(shí)要求較高。同時(shí)，它對(duì)數(shù)據(jù)的要求也較為苛刻，需要足夠長(zhǎng)的風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)來保證子樣本的數(shù)量和質(zhì)量，以確保極值數(shù)據(jù)的可靠性和代表性，這在實(shí)際工程中可能受到測(cè)量條件的限制。該方法主要適用于對(duì)風(fēng)壓極值要求較高的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如超高層建筑、大跨度橋梁等。基于頻譜分析的方法在準(zhǔn)確性上能夠通過功率譜密度等指標(biāo)揭示風(fēng)壓信號(hào)在頻域上的能量分布，從而深入了解風(fēng)壓的非高斯特性與流場(chǎng)特性之間的關(guān)系。在異形曲面結(jié)構(gòu)的研究中，通過頻譜分析準(zhǔn)確地識(shí)別出氣流分離和漩渦脫落等現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的頻率特征，為分析非高斯特性提供了有力依據(jù)。計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)適中，主要涉及傅里葉變換等數(shù)學(xué)運(yùn)算。適用范圍主要集中在研究風(fēng)壓非高斯特性與流場(chǎng)特性關(guān)聯(lián)的場(chǎng)景，對(duì)于分析建筑結(jié)構(gòu)周圍氣流的流動(dòng)狀態(tài)和非高斯風(fēng)壓的產(chǎn)生機(jī)制具有重要作用。然而，該方法不能直接給出風(fēng)壓的非高斯分布特征，需要結(jié)合其他方法進(jìn)行綜合分析。5.2方法選擇的影響因素建筑結(jié)構(gòu)類型是影響分析方法選擇的關(guān)鍵因素之一。不同類型的建筑結(jié)構(gòu)，其表面風(fēng)壓的分布特性和非高斯特性的表現(xiàn)程度存在顯著差異，因此需要根據(jù)結(jié)構(gòu)類型選擇合適的分析方法。對(duì)于高層建筑，由于其高度較大，受到的風(fēng)荷載主要以水平荷載為主，且在高湍流區(qū)域和角部等位置，風(fēng)壓的非高斯特性較為明顯。在分析高層建筑表面風(fēng)壓非高斯特性時(shí)，基于高階統(tǒng)計(jì)量的方法能夠有效地判斷出高斯區(qū)域和非高斯區(qū)域，通過計(jì)算偏度和峰度，準(zhǔn)確地刻畫風(fēng)壓分布的非高斯特征。某高層建筑風(fēng)洞試驗(yàn)中，利用該方法清晰地識(shí)別出建筑角部等區(qū)域的非高斯特性，為后續(xù)的風(fēng)荷載取值和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。而對(duì)于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)，其跨度大、剛度相對(duì)較小，風(fēng)荷載對(duì)其影響顯著，且屋蓋表面風(fēng)壓分布復(fù)雜，不同區(qū)域的非高斯特性表現(xiàn)各異。在這種情況下，基于極值理論的方法能夠針對(duì)屋蓋表面風(fēng)壓的極值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用廣義極值分布準(zhǔn)確地估計(jì)非高斯風(fēng)壓的極值，為大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更合理的風(fēng)荷載取值。在某大型體育場(chǎng)館屋蓋結(jié)構(gòu)的研究中，通過該方法得到的風(fēng)壓極值比傳統(tǒng)方法更符合實(shí)際情況，有效提高了結(jié)構(gòu)的安全性。對(duì)于異形曲面結(jié)構(gòu)，其復(fù)雜的幾何形狀導(dǎo)致氣流在表面的流動(dòng)極為復(fù)雜，風(fēng)壓的非高斯特性與流場(chǎng)特性密切相關(guān)?；陬l譜分析的方法能夠通過功率譜密度等指標(biāo)揭示風(fēng)壓信號(hào)在頻域上的能量分布，從而深入了解風(fēng)壓的非高斯特性與流場(chǎng)特性之間的關(guān)系，為異形曲面結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供有力的分析手段。在某異形曲面建筑的研究中，通過頻譜分析準(zhǔn)確地識(shí)別出氣流分離和漩渦脫落等現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的頻率特征，為分析非高斯特性提供了重要依據(jù)。風(fēng)場(chǎng)條件也對(duì)分析方法的選擇有著重要影響。不同的地貌類型，如A類、B類、C類地貌等，其平均風(fēng)速剖面和湍流度剖面存在差異，會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓特性不同。在A類地貌（指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)）條件下，風(fēng)場(chǎng)的湍流度相對(duì)較小，氣流較為平穩(wěn)，建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的非高斯特性相對(duì)較弱。此時(shí)，基于高階統(tǒng)計(jì)量的方法可能能夠較好地描述風(fēng)壓的非高斯特性，通過簡(jiǎn)單的計(jì)算偏度和峰度，即可判斷風(fēng)壓是否具有非高斯特性。而在C類地貌（指有密集建筑群的城市市區(qū)）條件下，風(fēng)場(chǎng)的湍流度較大，氣流紊亂，建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的非高斯特性更為顯著。在這種情況下，基于極值理論的方法可能更為適用，因?yàn)樗軌蚋鼫?zhǔn)確地估計(jì)