原创《龙卷风作用与核电站结构极端风荷载相关问题综述》：本论文主要论述了龙卷风作用论文范文相关的参考文献,对您的论文写作有参考作用。
摘 要：在结构荷载规范中一般均不考虑龙卷风荷载,但对于某些设防要求极高的重要工程设施,如核电站,则需要考虑可能的龙卷风荷载作用.从龙卷风风场理论模型的研究发展入手,对直接风压荷载的确定、风致飞射物间接作用以及特种工程结构一核电站抗龙卷风设计的研究现状进行了归纳总结,指出了龙卷风直接风压计算中考虑轴吸力作用、风场平移运动及风致扭转作用的必要性以及飞射物冲击作用应区别弹体相对刚度及端部形态对作用效果的影响.
关键词：龙卷风荷载；风致飞射物；冲击响应；抗龙卷风设计
中图分类号：TU312.1
文献标志码：A
文章编号：1674-4764（2016）06-0121-08
龙卷风是由大气剧烈对流产生的一种高速旋转的移动风暴,它作用范围小,生消快,其发生时间和位置难以确定,风速极高,破坏力巨大,龙卷风经过之处会对影响范围内的建筑物造成极其严重的破坏.在任何一个地方,龙卷风的发生概率远低于其他极端风,通常认为抗龙卷风设计的结构成本远远高于龙卷风袭击危害有关的期望损失,因此,在各国的建筑规范中一般不考虑龙卷风荷载,但是对于重要生命线工程,如核电站设计,需要进行抗龙卷风设计.中国在建核电站大多分布在辽宁、山东、浙江、福建和广东等经济发达和人口密集的沿海地区,而这些地区也是龙卷风和台风等极端风易发地区,一旦发生核电站事故往往造成巨大的生命和财产损失,因此,对于核电站抗龙卷风设计研究至关重要.
对于龙卷风的研究可以追溯到19世纪末,早期的研究主要侧重于龙卷风气象研究和龙卷风产生的破坏.之后,学者们从理论上、现场实测、实验和数值模拟等方面对龙卷风进行了深入的研究分析.龙卷风风场模型是确定风荷载的基础,风致荷载主要包括以下3个方面：气流直接作用在结构上引起的风压；龙卷风掠过结构物时大气压力场变化引起的压力；龙卷风飞掷物引起的冲击力.
1.龙卷风理论模型研究
龙卷风的成因比较复杂,而一旦形成后,其形态与运动是致灾的关键.在结构抗龙卷风设计中,首先需要解决的问题是确定龙卷风荷载,因此,需要了解龙卷风风场及龙卷风理论模型.自19世纪末起,提出过多种龙卷风的理论模型,比较有代表性的是：Rankine二维涡模型、Wen三维半经验模型以及Burgers-Rott三维涡模型.由龙卷风理论模型给出的风速分布,进而确定风压力.
1.1二维Rankine涡模型
在龙卷风研究的初期,有学者发现龙卷风运动规律与Rankine涡模型比较接近,因此,在研究过程中将龙卷风简化为二维模型.1882年Rankine提出了Rankine涡模型,它是一种二维环流运动,在此环流区域中围绕原点整体旋转,其速度正比于离原点的距离；在区域的外边,旋度是自由的,其速度反比于离原点的距离.其切向速度分布如（1）式及图1所示.
Hoecker研究发现龙卷风333m高度处的运动与Rankine涡旋较为接近.Sun等以Nier-Stokes方程和Hoecker提出的旋转风方程等为基础进行理论推导,提出了适用于核电站风荷载计算的龙卷风通用简化模型,Rankine涡模型和Hoecker涡模型是该模型的一种特殊情况.Rankine涡模型具有模型简单、有精确解等优点,且在一定程度能够反应龙卷风风场的一般特性,因此,学者在研究龙卷风荷载时风速一般采用二维Rankine涡模型.目前有关对龙卷风荷载的规定大多是采用二维Rankine模型表示龙卷风风速分布.尽管Rankine涡模型已经广泛的应用在龙卷风研究中,但是该模型是不考虑轴向流运动的二维流,且不考虑黏性作用,与实际的三维龙卷风风场是不符的.
Wen建立的三维龙卷风理论模型为以后的龙卷风研究提供了很好的理论依据,Sory等采用Wen模型研究了龙卷风作用下输电塔的响应.陈艾荣等利用Wen风场半经验公式分析了大跨径斜拉桥在龙卷风作用下的响应.Wen半经验理论风场模型对气压降的考虑不够完善,而气压降对低矮封闭結构有着巨大作用.汤卓等对Wen给出的三维龙卷风理论模型进行了完善补充,得出Wen龙卷风风场模型下的气压场控制方程.尽管Wen半经验理论模型得到广泛应用,但是该模型规定涡边界层内外风速及各最大运动参数的比例固定,隐含了龙卷风规模的缩放关系及模型的指向性,这与龙卷风的多样性是不符的.
另一种三维龙卷风模型基于Burgers涡旋流,这是一种有轴向拉伸的定位轴对称涡旋流,Burgers涡考虑了空气黏性作用,能够较好的反映出某些常见涡旋流动的主要特征.Rott在Burgers涡旋流的理论基础上考虑科里奥利的柱坐标方程提出了Burgers-Rott涡旋.实际龙卷风除保持涡旋运动外,在前进方向是一种具有梯度风特性的平移运动.然而,学者们在研究龙卷风对结构的作用时鲜有考虑龙卷风的平移运动.因此,甘文举等运用Burgers涡运动理论及平移风速梯度理论建立了涡旋及平移运动合成下的准定常三维龙卷风模型.Burgers涡的不足之处是假定轴向速度只是z坐标的函数,致使其与另外两个方向的速度耦合较弱,这与实际情况并不一致.
由上述研究可以看出,多年来学者们对龙卷风理论模型进行了大量的研究并取得一系列成果,成为研究结构抗龙卷风设计的理论基础.但是,实际的龙卷风风场是非常复杂的,迄今为止人们对它还不完全了解,现有理论模型与实际龙卷风风场均存在一定的差异.对于龙卷风理论模型仍有待进一步完善与验证,特别是龙卷风风场的实测验证.
2.龙卷风作用及风致飞射物冲击荷载研究现状
现行建筑荷载规范针对的是常规风场对结构的作用,龙卷风由于其发生概率极低、设防成本过高,并未纳入设计荷载考虑范围.但对于一些特殊结构、特定的地域,如核电站设施,龙卷风可能导致严重后果,是结构设计中必须考虑应对的.龙卷风对于土建结构的危害通常由风和大气压力改变这两个现象引起,主要体现在3个方面：空气移动并围绕着结构所建立起来的风压,相对大气压快速改变引起的负压,龙卷风飞射物所引起的冲击.
龙卷风作用论文参考资料：
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