土木工程构架台风易损性评价分析
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究目的与意义
20 世纪 80 年代，德意志联邦共和国慕尼黑保险公司对损失 1 亿美元以上的自然灾害统计结果表明，由于风发生的频率高，次生灾害大，风灾的次数占自然灾害总次数的 51.4%，经济损失占自然灾害总损失的 40.5%。据统计，全球每年由于风灾造成的损失达100 亿美元，年平均死亡人数 2 万人以上。可见，风灾是给人类生命财产带来巨大危害的自然灾害。台风是风灾中破坏力最大、造成损失最严重的一种。我国东南沿海地区受台风影响频繁，林继生曾统计指出，仅影响广东省的热带气旋年均就达 10 个,其中有 4 个登陆。而台风灾害造成的损失也十分严重，据近年来的统计，2004年台风“云娜”造成浙江省数万间房屋倒塌，约 180 人死亡，直接经济损失 200多亿人民币;2005 年，8 个强台风在我国东南、华南沿海地区登陆，造成 429人死亡，农作物受灾面积 466.06 万公顷，数十万间房屋倒塌和损坏，直接经济损失 814.7 亿人民币;2006 年，强台风“珍珠”造成 31 人死亡 5 人失踪，农作物受灾面积 32.03 万公顷，倒塌房屋 1.6 万间，直接经济损失 83.4 亿人民币，超强台风“桑美”给浙江苍南和福建福鼎的部分地区带来了毁灭性的破坏，两省因台风死亡 456 人，失踪 110 人，直接经济损失达 196.5 亿人民币;2007 年，台风“圣帕”造成福建、浙江两省 11 人死亡 1 人失踪，倒塌房屋 4043 间，损坏房屋 1.91 万间，农作物受灾面积 128 万亩，直接经济损失 15.91 亿元，台风“韦帕”造成浙江省 5 人死亡 3 人失踪，直接经济损失 66.2 亿元。相关研究表明[5]，影响我国沿海地区的台风灾害具有发生频率高、影响范围广、突发性强、群发性显著和成灾强度大等特点。台风灾害表现出链锁反映模式，即如图 1-1 所示台风灾害链[6]。然而，对热带气旋灾害的分析研究发现[7]，台风灾害中巨大的人员伤亡和财产损失主要是由土木工程结构的风致毁坏造成，这也是工程界关注土木工程结构台风灾害的主要缘由。
在土木工程结构中，村镇地区的低矮房屋受台风灾害影响最为普遍，也最为严重。这主要是因为村镇低矮房屋是大部分人群的生活场所，而这类结构在抗风能力极为脆弱。一旦发生台风灾害，会直接威胁到这部分人群的生命安全。如 1991 年孟加拉国风灾损坏和摧毁民房 100 万间，造成 14 万人丧生，损失达30 亿美元;1992 年安德鲁飓风横扫美国佛罗里达州，100 多万平方英里的地区夷为平地，损失达 300 亿美元。据统计[5]，1983~1992 这十年内我国平均每年因台风倒损房屋 82 万间。近 15 年来，我国村镇低矮房屋的台风灾害时有发生，尤其是在强度较大的台风影响下，房屋损毁现象十分严重，如表 1-2 所示。其他土木工程结构也经常出现台风破坏。如 9107 号台风造成澄海县蓬上镇永新电筒厂新建电珠车间的 400m2的金属屋盖完全毁坏;9417 号台风造成温州地区 5 座 220kV、110kV 的输电线塔倒塌，洞头百米高的电视塔倒塌，市中心公安大楼的 80m 高通讯铁塔倒塌，部分烟囱被吹倒[8];高层建筑玻璃幕墙(图1-2)[9]、路牌及户外广告牌、冷却塔及水利设施等的台风破坏现象更是屡见不鲜。总之，土木工程结构的台风灾害十分普遍，也逐步引起关注。如美国启动国家减风灾计划(National Wind Hazards Reduction Program)，日本政府启动COE(Center of Excellence)计划，不断增加结构抗风研究投入。和发达国家相比，我国的台风灾害研究工作主要集中在大型结构抗风研究的投入上，在村镇建筑抗风研究方面的投入和学术关注均很低[10]。
第2章 结构台风易损性评估过程与方法
2.1 引言
结构台风易损性是指结构在不同水平的台风作用下，发生不同程度破坏的可能性，或者结构达到某个极限状态的概率，它是结构本身的特性。它可以是针对一个或一类结构，也可以是针对一个地区而言。从广义上讲，结构台风易损性评估包括建立台风强度与结构破坏程度之间的关系以及建立台风强度与经济损失之间的关系两方面内容。在结构工程中就是指台风强度与结构破坏程度之间的关系，称之为结构台风易损性模型。它是结构台风破坏评价及损失估计的核心内容。通过结构台风易损性评估，我们还能标定出各类土木工程结构的抗台风性能，由此发现其抗台风薄弱环节，从而有针对性地制定防台减灾计划，最大限度地减轻台风造成的破坏及损失。为了有效实施结构台风易损性评估，需要遵循一定的评估过程，并利用科学合理的方法。本章将针对土木工程结构台风易损性提出具有普遍意义的评估过程，包括台风强度评估指标与结构破坏程度评估指标的选择，台风强度与结构破坏程度的关系的建立途径以及它们之间的联系。本章还将探讨结构台风易损性评估方法，包括它们的原理、优缺点、适用性等。
2.2 结构台风易损性评估过程
结构台风易损性评估的两个关键性因素就是台风强度和结构破坏程度。在结构台风易损性评估过程中，首先要确定台风强度和结构破坏程度的评估指标，然后才能建立二者之间的对应关系，即结构台风易损性模型。
2.2.1 台风强度评估指标
2.2.1.1 风速指标
风的强度是风的主要特征之一，常用风速来表达，有平均风速和瞬时风速两种表现形式。由于观测频率与风速脉动的影响，实际上很难获取到真正的最大瞬时风速，故应用中一般采用平均风速。随着高度、地形、地貌和时距的不同，平均风速取值会有所区别。
(1) 平均风速随高度变化在大气边界层中，平均风速随高度发生变化，离地面愈近，由于地表摩擦能量消耗较大，风速较小;离地面愈高，能量消耗逐渐减少，风速则愈来愈大。其变化规律根据实测资料常采用指数律或对数律来模拟。指数律是由Davenport等提出的;而对数律是由Prandtl提出的。一些资料认为，在近地面的下部摩擦层采用对数律更加符合风速实测资料，但二者计算结果差别不大，由于指数律更便于计算，目前国内外都倾向于用指数律来描述近地层中风速随高度的变化规律。无论是指数律还是对数律，都规定了一个参考高度，我国建筑结构荷载规范规定的标准高度为10m。平均风速随高度增加而增大，然而当高度达到200~500m的地方时，风不再受地貌的影响，能够在气压梯度的作用下自由流动，从而达到所谓梯度风速。随着地表面粗糙度的不同，近地层风速变化的快慢也不同，粗糙度指数越小的地貌，越快到达梯度风速，即梯度风高度越低。
(2) 平均风速随地貌变化随着地貌的不同，在指数律和对数律中分别表现为地面粗糙度指数和地表面粗糙长度的不同。我国建筑结构荷载规范中将地貌分为A、B、C、D四类，分别对应不同的地面粗糙度指数α和梯度风高度HT，如表2-1所示。其中，以B类地貌为标准地貌。
第3章 区域结构台风灾害调查评估方法...................... 34-51
3.1 引言.................... 34
3.2 区域台风灾害调查.................... 34-38
3.2.1 调查分区 ....................34-35
3.2.2 调查项目.................... 35-38
3.2.3 资料汇编.................... 38
3.3 研究假定 ....................38-39
3.4 区域台风风速的确定.................... 39
3.4.1 有效最大平均风速的概念.................... 39
3.4.2 有效最大平均风速的确定.................... 39
3.5 村镇低矮房屋台风灾害.................... 39-46
3.5.1 低矮房屋结构分类.................... 40-43
3.5.2 结构台风破坏状态.................... 43-46
3.6 区域结构破坏程度评估 ....................46-49
3.7 本章小结.................... 49-51
第4章 区域结构台风易损性曲线....................51-80
4.1 引言.................... 51
4.2 区域结构台风易损性曲线.................... 51-56
4.2.1 结构平均破坏台风易损性曲线.................... 52-54
4.2.2 结构超越破坏台风易损性曲线 ....................54-56
4.3 结构台风易损性曲线回归模型.................... 56-65
4.4 区域结构台风易损性矩阵....................65-66
4.5 结构台风易损性矩阵神经网络模型.................... 66-78
4.6 本章小结 ....................78-80
结论
台风是地球上最强烈的一种成灾自然现象，而我国东南沿海地区是世界上受台风影响最严重的地区之一。台风导致的土木工程灾害给人们带来了巨大的灾难，严重影响了我国沿海地区的经济发展甚至威胁着人们的生命。为了评估和预测土木工程结构的台风灾害损失，给公共部门的防台减灾决策提供依据，本文围绕土木工程结构台风易损性评估，重点研究区域结构台风易损性评估方法。通过本文研究工作，主要得到以下研究成果：
1) 确定了结构台风易损性评估过程，即由台风强度评估指标和结构破坏程度评估指标建立结构台风易损性模型;提出区域结构台风灾害调查评估方法;确定了十一项台风灾害调查指标，包括台风风速、结构类型、房屋体型、建造历史、材料等级、构造特征、施工质量、房屋选址、房屋布局、房屋破坏和居民损失;确定了七类村镇低矮房屋的结构台风破坏形式和相应构件台风破坏等级标准;提出了结构台风破坏状态模糊综合评价方法。
2) 提出了区域结构台风易损性曲线形成方法，建立了结构平均破坏台风易损性曲线和结构超越破坏台风易损性曲线;基于超越破坏台风易损性曲线方法提出了区域结构台风易损性曲线一元回归模型的建立方法。
3) 提出区域结构台风易损性矩阵构成方法，采用区域台风风力等级与区域结构不同破坏等级对应概率关系来表达区域结构台风易损性，给出矩阵格式，建立了基于 BP 神经网络和区域结构台风灾害资料的结构台风易损性矩阵神经网络模型。
参考文献
1 王润, 姜彤, Lorenz King. 20世纪重大自然灾害评析. 自然灾害学报. 2000,9(4): 9~15
2 曹崇高, 张相庭. 结构风灾经济损失模型的建立及其应用. 安阳师范学院学报. 2000, (1): 32~34
3 林继生, 罗金铃. 登陆广东的热带气旋灾害评估和预测模式. 自然灾害学报.1995, 4(1): 92~97
4 肖风劲, 徐良炎. 2005年我国天气气候特征和主要气象灾害. 气象. 2006, 32(4): 78~83
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9 J. E. Minor. Lessons Learned from Failures of the Building Envelope inWindstorms. Natural Hazards Review. 1990, 4(1): 12~19
10 顾明. 土木结构抗风研究进展及基础科学问题. 建筑、环境与土木工程Ⅱ土木工程卷学科发展战略研究报告2006年——2010年. 2006: 145~152
