張文娜　錢江

摘要：

在結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中一般均不考慮龍卷風(fēng)荷載，但對于某些設(shè)防要求極高的重要工程設(shè)施，如核電站，則需要考慮可能的龍卷風(fēng)荷載作用。從龍卷風(fēng)風(fēng)場理論模型的研究發(fā)展入手，對直接風(fēng)壓荷載的確定、風(fēng)致飛射物間接作用以及特種工程結(jié)構(gòu)核電站抗龍卷風(fēng)設(shè)計的研究現(xiàn)狀進行了歸納總結(jié)，指出了龍卷風(fēng)直接風(fēng)壓計算中考慮軸吸力作用、風(fēng)場平移運動及風(fēng)致扭轉(zhuǎn)作用的必要性以及飛射物沖擊作用應(yīng)區(qū)別彈體相對剛度及端部形態(tài)對作用效果的影響。

關(guān)鍵詞：

龍卷風(fēng)荷載；風(fēng)致飛射物；沖擊響應(yīng)；抗龍卷風(fēng)設(shè)計

中圖分類號：TU312.1

文獻標(biāo)志碼：A文章編號：16744764（2016）06012108

Abstract：

Generally， the cost of tornadoresistant design of structures is much higher than expected loss of windinduced disaster. Therefore， load codes for the design of building structures generally take no consideration of tornado. However， some important engineering facilities with extreme high security requirements， like nuclear power plants， need to consider possible tornadoinduced wind loads. This paper starts with the stateofart of tornado models， then， the determination of direct wind pressure on structures， indirect action of tornadogenerated missiles and the tornadoresistant design of special engineering structure like nuclear power plant， are summarized. Then it points out the necessity of calculating the tornadoinduced wind loads by considering axial wind suction， translational motion of wind field and torsional response. The effect of the relative stiffness and end form of projectiles should be taken into account in the impact load of tornadogenerated missiles.

Keywords：

tornadoinduced wind loads； tornadogenerated missiles； impact response； tornadoresistant design

龍卷風(fēng)是由大氣劇烈對流產(chǎn)生的一種高速旋轉(zhuǎn)的移動風(fēng)暴，它作用范圍小，生消快，其發(fā)生時間和位置難以確定，風(fēng)速極高，破壞力巨大，龍卷風(fēng)經(jīng)過之處會對影響范圍內(nèi)的建筑物造成極其嚴(yán)重的破壞[1]。在任何一個地方，龍卷風(fēng)的發(fā)生概率遠低于其他極端風(fēng)，通常認(rèn)為抗龍卷風(fēng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)成本遠遠高于龍卷風(fēng)襲擊危害有關(guān)的期望損失，因此，在各國的建筑規(guī)范中一般不考慮龍卷風(fēng)荷載，但是對于重要生命線工程，如核電站設(shè)計，需要進行抗龍卷風(fēng)設(shè)計。中國在建核電站大多分布在遼寧、山東、浙江、福建和廣東等經(jīng)濟發(fā)達和人口密集的沿海地區(qū)，而這些地區(qū)也是龍卷風(fēng)和臺風(fēng)等極端風(fēng)易發(fā)地區(qū)[2]，一旦發(fā)生核電站事故往往造成巨大的生命和財產(chǎn)損失，因此，對于核電站抗龍卷風(fēng)設(shè)計研究至關(guān)重要。

對于龍卷風(fēng)的研究可以追溯到19世紀(jì)末，早期的研究主要側(cè)重于龍卷風(fēng)氣象研究和龍卷風(fēng)產(chǎn)生的破壞。之后，學(xué)者們從理論上、現(xiàn)場實測、實驗和數(shù)值模擬等方面對龍卷風(fēng)進行了深入的研究分析。龍卷風(fēng)風(fēng)場模型是確定風(fēng)荷載的基礎(chǔ)，風(fēng)致荷載主要包括以下3個方面[3]：氣流直接作用在結(jié)構(gòu)上引起的風(fēng)壓；龍卷風(fēng)掠過結(jié)構(gòu)物時大氣壓力場變化引起的壓力；龍卷風(fēng)飛擲物引起的沖擊力。

1龍卷風(fēng)理論模型研究

龍卷風(fēng)的成因比較復(fù)雜，而一旦形成后，其形態(tài)與運動是致災(zāi)的關(guān)鍵。在結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計中，首先需要解決的問題是確定龍卷風(fēng)荷載，因此，需要了解龍卷風(fēng)風(fēng)場及龍卷風(fēng)理論模型。自19世紀(jì)末起，提出過多種龍卷風(fēng)的理論模型，比較有代表性的是： Rankine二維渦模型、Wen三維半經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵约癇urgersRott三維渦模型。由龍卷風(fēng)理論模型給出的風(fēng)速分布，進而確定風(fēng)壓力。

1.1二維Rankine渦模型

在龍卷風(fēng)研究的初期，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)龍卷風(fēng)運動規(guī)律與Rankine渦模型比較接近，因此，在研究過程中將龍卷風(fēng)簡化為二維模型。1882年Rankine提出了Rankine渦模型，它是一種二維環(huán)流運動，在此環(huán)流區(qū)域中圍繞原點整體旋轉(zhuǎn)，其速度正比于離原點的距離；在區(qū)域的外邊，旋度是自由的，其速度反比于離原點的距離。其切向速度分布如（1）式及圖1所示[4]。

Vr=rRVR（0≤r≤R）

RrVR（R≤r≤∞）（1）

式中：Vr是距渦旋中心為r處的切向風(fēng)速，VR是Rankine渦旋的最大切向風(fēng)速，R是最大切向風(fēng)速對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)半徑，r是風(fēng)場中任一點距龍卷風(fēng)中心的距離。endprint

Hoecker[56] 研究發(fā)現(xiàn)龍卷風(fēng)333 m高度處的運動與Rankine渦旋較為接近。Sun等[7]以NavierStokes方程和Hoecker提出的旋轉(zhuǎn)風(fēng)方程等為基礎(chǔ)進行理論推導(dǎo)，提出了適用于核電站風(fēng)荷載計算的龍卷風(fēng)通用簡化模型，Rankine渦模型和Hoecker渦模型是該模型的一種特殊情況。Rankine渦模型具有模型簡單、有精確解等優(yōu)點，且在一定程度能夠反應(yīng)龍卷風(fēng)風(fēng)場的一般特性，因此，學(xué)者在研究龍卷風(fēng)荷載時風(fēng)速一般采用二維Rankine渦模型[810]。目前有關(guān)對龍卷風(fēng)荷載的規(guī)定大多是采用二維Rankine模型表示龍卷風(fēng)風(fēng)速分布。盡管Rankine渦模型已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在龍卷風(fēng)研究中，但是該模型是不考慮軸向流運動的二維流，且不考慮黏性作用，與實際的三維龍卷風(fēng)風(fēng)場是不符的。

1.2三維龍卷風(fēng)理論模型

由于二維Rankine渦模型與實際龍卷風(fēng)風(fēng)場不符合， Kuo [11]提出一種三維龍卷風(fēng)理論模型，同時給出了龍卷風(fēng)風(fēng)速分布。Wen [12]在此基礎(chǔ)上提出了龍卷風(fēng)半經(jīng)驗理論模型，規(guī)定渦旋邊界層內(nèi)外風(fēng)速和各個最大運動參數(shù)的固定比例。龍卷風(fēng)邊界層厚度表達為

δ（r′）=δ0[1-exp（-0.5r2）] （2）

式中：r=r′rmax，r′是模擬點距龍卷風(fēng)中心的距離；rmax是最大切向風(fēng)速處半徑；δ0是r1時龍卷風(fēng)邊界層厚度，一般取457 m，見圖2。

Wen建立的三維龍卷風(fēng)理論模型為以后的龍卷風(fēng)研究提供了很好的理論依據(jù)，Savory等 [13]采用Wen模型研究了龍卷風(fēng)作用下輸電塔的響應(yīng)。陳艾榮等 [14]利用Wen風(fēng)場半經(jīng)驗公式分析了大跨徑斜拉橋在龍卷風(fēng)作用下的響應(yīng)。Wen半經(jīng)驗理論風(fēng)場模型對氣壓降的考慮不夠完善， 而氣壓降對低矮封閉結(jié)構(gòu)有著巨大作用。湯卓等 [15]對Wen給出的三維龍卷風(fēng)理論模型進行了完善補充，得出Wen龍卷風(fēng)風(fēng)場模型下的氣壓場控制方程。盡管Wen半經(jīng)驗理論模型得到廣泛應(yīng)用，但是該模型規(guī)定渦邊界層內(nèi)外風(fēng)速及各最大運動參數(shù)的比例固定，隱含了龍卷風(fēng)規(guī)模的縮放關(guān)系及模型的指向性，這與龍卷風(fēng)的多樣性是不符的。

另一種三維龍卷風(fēng)模型基于Burgers渦旋流[16]，這是一種有軸向拉伸的定位軸對稱渦旋流，Burgers渦考慮了空氣黏性作用，能夠較好的反映出某些常見渦旋流動的主要特征[17]。Rott[18]在Burgers渦旋流的理論基礎(chǔ)上考慮科里奧利的柱坐標(biāo)方程提出了BurgersRott渦旋。實際龍卷風(fēng)除保持渦旋運動外， 在前進方向是一種具有梯度風(fēng)特性的平移運動。然而，學(xué)者們在研究龍卷風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用時鮮有考慮龍卷風(fēng)的平移運動。因此，甘文舉等[19]運用Burgers渦運動理論及平移風(fēng)速梯度理論建立了渦旋及平移運動合成下的準(zhǔn)定常三維龍卷風(fēng)模型。Burgers渦的不足之處是假定軸向速度只是z坐標(biāo)的函數(shù)，致使其與另外兩個方向的速度耦合較弱，這與實際情況并不一致。

由上述研究可以看出，多年來學(xué)者們對龍卷風(fēng)理論模型進行了大量的研究并取得一系列成果，成為研究結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)。但是，實際的龍卷風(fēng)風(fēng)場是非常復(fù)雜的，迄今為止人們對它還不完全了解，現(xiàn)有理論模型與實際龍卷風(fēng)風(fēng)場均存在一定的差異。對于龍卷風(fēng)理論模型仍有待進一步完善與驗證，特別是龍卷風(fēng)風(fēng)場的實測驗證。

2龍卷風(fēng)作用及風(fēng)致飛射物沖擊荷載

研究現(xiàn)狀

現(xiàn)行建筑荷載規(guī)范針對的是常規(guī)風(fēng)場對結(jié)構(gòu)的作用，龍卷風(fēng)由于其發(fā)生概率極低、設(shè)防成本過高，并未納入設(shè)計荷載考慮范圍。但對于一些特殊結(jié)構(gòu)、特定的地域，如核電站設(shè)施，龍卷風(fēng)可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果，是結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮應(yīng)對的。龍卷風(fēng)對于土建結(jié)構(gòu)的危害通常由風(fēng)和大氣壓力改變這兩個現(xiàn)象引起，主要體現(xiàn)在3個方面：空氣移動并圍繞著結(jié)構(gòu)所建立起來的風(fēng)壓，相對大氣壓快速改變引起的負(fù)壓，龍卷風(fēng)飛射物所引起的沖擊。

2.1龍卷風(fēng)荷載

Simiu等 [13]較為系統(tǒng)的闡述了龍卷風(fēng)對結(jié)構(gòu)的影響，采用二維Rankine渦為理論模型獲得龍卷風(fēng)風(fēng)速分布，給出了龍卷風(fēng)風(fēng)壓和降壓差計算方法，對龍卷風(fēng)飛射物沖擊荷載進行了討論，同時，考慮了龍卷風(fēng)的區(qū)域分布特點，將全美國劃分為3個龍卷風(fēng)強度區(qū)，并給出了各個龍卷風(fēng)強度區(qū)的龍卷風(fēng)最大風(fēng)速，旋轉(zhuǎn)風(fēng)速，移動速度和最大旋轉(zhuǎn)風(fēng)速半徑等參數(shù)值。為此后的結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

風(fēng)災(zāi)統(tǒng)計表明：龍卷風(fēng)作用與建筑結(jié)構(gòu)位置、地面粗糙及龍卷風(fēng)平移速度均有關(guān)。Zhang等[20]利用 PIV 技術(shù)觀測實驗?zāi)M的微小尺度龍卷風(fēng)流場，研究分析了地面粗糙度對龍卷風(fēng)漩渦的影響及其速度分布，結(jié)果表明，地面粗糙度對龍卷風(fēng)速度和湍流特性有重要影響。 Sengupta等[21]對建筑在微風(fēng)暴和龍卷風(fēng)作用下的瞬時加載進行了研究，發(fā)現(xiàn)微風(fēng)暴的峰值取決于平移速度，高的微風(fēng)暴平移速度下阻力系數(shù)峰值單調(diào)增加；F2級龍卷風(fēng)作用下的峰值超出美國荷載規(guī)范規(guī)定值的1.5倍。Yang等[22]對龍卷風(fēng)作用下高層建筑進行了實驗研究，結(jié)果表明漩渦的演變和湍流結(jié)構(gòu)以及引起的大風(fēng)明顯不同于傳統(tǒng)直線大風(fēng)。Natarajan等[2324]研究了建筑位置、地面粗糙度和平移速度對龍卷風(fēng)漩渦及建筑物表面壓力的影響。 Rajasekharan等[2526]研究了地面粗糙度對暴露在龍卷風(fēng)作用下建筑物內(nèi)部壓力的影響，結(jié)果表明：地面粗糙度增高，建筑物外部和內(nèi)部壓力系數(shù)都將增大，且外部壓力系數(shù)增大幅度較內(nèi)部壓力系數(shù)大。

中國對龍卷風(fēng)荷載研究起步較晚，夏祖諷[27]1987年為應(yīng)對秦山核電廠核安全結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計的需求，編制了秦山核電站廠核安全結(jié)構(gòu)龍卷風(fēng)荷載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，于1989年形成了《 三十萬千瓦壓水堆核電廠安全重要土建結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計規(guī)定（EJ 420—89）》[28]，該規(guī)定對抗龍卷風(fēng)設(shè)計進行了較系統(tǒng)的闡述。并成為之后涉核工程結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計的參考依據(jù)。甘文舉等[10]應(yīng)用Rankine渦運動理論，結(jié)合中國的龍卷風(fēng)災(zāi)害探討了氣流速度和壓力沿平面的分布規(guī)律，對建筑物風(fēng)壓力、風(fēng)吸力、扭轉(zhuǎn)的實用計算進行了探討。其后，進一步研究了龍卷風(fēng)近地移動梯度對低層房屋風(fēng)場影響，探討了考慮近地平移風(fēng)剖面分布下的風(fēng)場規(guī)律及其對低層房屋的作用特點[19]。劉偉等[29]對房屋進行漏斗結(jié)構(gòu)平移模型下的龍卷風(fēng)荷載分析，得出龍卷風(fēng)吸力的大小隨龍卷風(fēng)的高度而變化，對低矮房屋的作用力最大。白俊峰等[9]進行龍卷風(fēng)作用下空間桁架的受力分析，結(jié)合實例建立龍卷風(fēng)的風(fēng)場數(shù)值模型，提出在龍卷風(fēng)作用下桁架結(jié)構(gòu)的荷載處理方法和加載方法。湯卓等[15] 在綜合分析了龍卷風(fēng)襲擊建筑物時高速風(fēng)沖擊作用和突然氣壓降作用的基礎(chǔ)上，提出了封閉結(jié)構(gòu)龍卷風(fēng)荷載的計算方法。采用計算流體動力學(xué)（ CFD） 方法對某大跨穹頂結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場進行數(shù)值模擬， 得到了結(jié)構(gòu)的壓力系數(shù)以及該結(jié)構(gòu)的龍卷風(fēng)荷載時程，利用時程分析方法對結(jié)構(gòu)進行龍卷風(fēng)作用下的風(fēng)致動力響應(yīng)分析， 得到了結(jié)構(gòu)在龍卷風(fēng)作用下的位移時程。其后對龍卷風(fēng)作用下雙坡屋面風(fēng)壓分布進行了試驗研究[30]，獲得了屋面風(fēng)荷載的分布規(guī)律。endprint

現(xiàn)行規(guī)范中龍卷風(fēng)荷載的計算方法，仍類比于常規(guī)風(fēng)荷載公式，差別僅在于風(fēng)速度取值，而風(fēng)速的確定則是基于二維Rankine渦模型，這與實際的龍卷風(fēng)風(fēng)場并不相符。事實上，龍卷風(fēng)豎向運動對結(jié)構(gòu)的作用是巨大的，尤其龍卷風(fēng)產(chǎn)生的吸力容易對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大破壞，對于龍卷風(fēng)吸力及風(fēng)致扭轉(zhuǎn)力對結(jié)構(gòu)作用的研究還需要進一步深入探討。

2.2風(fēng)致飛射物研究

龍卷風(fēng)對結(jié)構(gòu)的破壞作用除了直接產(chǎn)生的風(fēng)壓外，風(fēng)致飛射物對結(jié)構(gòu)的沖擊破壞也是不可忽視的。早期的研究內(nèi)容主要關(guān)注風(fēng)致飛射物的沖擊速度、沖擊力曲線以及沖擊軌跡等。Lee[31]對龍卷風(fēng)飛射物進行了普遍性研究，對飛射物的氣動特性進行了假定，提出了一種計算龍卷風(fēng)飛射物速度的程序。Simiu等[3]針對核電站抗龍卷風(fēng)設(shè)計需求，對龍卷風(fēng)飛射物的速度分布給出了評估。在核電站設(shè)計中，通常認(rèn)為有可能成為飛擲物的物體均為鈍體，譬如厚木板、鋼棒、鋼管、電線桿以及汽車等。Kar[3233]對龍卷風(fēng)飛射物沖擊荷載及加載時間進行了研究，提出一種確定飛射物與目標(biāo)面之間的接觸力的方法，獲得速度與加速度時間歷程曲線；并與全尺寸實驗進行了比較，兩者的結(jié)果吻合較好，此種計算方法已經(jīng)很有效的應(yīng)用在侵徹計算中。Stephenson等[34]對龍卷風(fēng)飛射物進行了全尺寸實驗研究，對常見的桿、管和棒等飛射物進行了18組實驗，獲得的數(shù)據(jù)可以直接用于結(jié)構(gòu)設(shè)計和檢驗。Twisdale等[35]對龍卷風(fēng)飛射物的運動軌跡進行了分析，提出一種可以模擬龍卷風(fēng)飛射物的初始釋放和后續(xù)運動的方法。Dun等[36]采用一種合成的風(fēng)場模型研究了龍卷風(fēng)飛射物的運動軌跡，研究表明采用此模型可以統(tǒng)計分析獲得龍卷風(fēng)飛射物的速度。McDonald等[37]對常用建筑材料在龍卷風(fēng)飛射物作用下的耐沖擊性能進行了研究，實驗研究了最可能成為龍卷風(fēng)飛射物的板和管的沖擊速度，并確定他們穿過普通建筑墻體所需的速度。Schmidlind等[38]對車輛在龍卷風(fēng)中的行為進行研究，通過現(xiàn)場調(diào)查并依據(jù)龍卷風(fēng)過后建筑物的破壞來評估車輛在龍卷風(fēng)中的行為。Wills等[39]根據(jù)風(fēng)致飛射物的幾何形狀及空氣動力學(xué)的性質(zhì)將風(fēng)致飛射物大致分為3類：塊狀飛射物、板狀飛射物和棒狀飛射物?，F(xiàn)場實測及全尺寸實驗結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了最直接的依據(jù)。

Maruyama [40]對在龍卷風(fēng)漩渦下的飛行碎片進行了數(shù)值模擬分析，給出三維飛射物運動軌跡和最大水平速度的統(tǒng)計值。唐飛燕等[8]研究了龍卷風(fēng)場中沙粒對結(jié)構(gòu)的沖擊作用，指出龍卷風(fēng)中沙粒對結(jié)構(gòu)的作用不可忽視。Zhou等[41]對由碳纖維加強混合聚合物基體復(fù)合材料保護的新型風(fēng)暴安全房屋系統(tǒng)進行了龍卷風(fēng)飛射物沖擊性能試驗與理論分析研究，研究表明文中所提新型風(fēng)暴安全房屋系統(tǒng)能夠更好地抵抗龍卷風(fēng)飛射物的沖擊。Li等[42]對龍卷風(fēng)飛射物作用下的管道設(shè)計進行了研究，提出一種單自由度非線性分析模型并分析了沖擊作用下管道的四種破壞模式。

研究表明，風(fēng)速超過34 m/s時就有可能在風(fēng)場內(nèi)物體或建筑物結(jié)構(gòu)中誘生飛射物，大多龍卷風(fēng)都會產(chǎn)生飛射物并可能造成結(jié)構(gòu)的破壞。常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計由于設(shè)防成本并不考慮龍卷風(fēng)的影響，但是對于重要的工程結(jié)構(gòu)，如核電站，由于安全原因需要考慮抗龍卷風(fēng)設(shè)計。現(xiàn)行的核電站抗龍卷風(fēng)設(shè)計一般由龍卷風(fēng)飛射物速度設(shè)計譜確定飛射物的沖擊性能。美國核標(biāo)準(zhǔn)RG1.76規(guī)則中給出了龍卷風(fēng)飛射物速度設(shè)計譜。中國規(guī)范要求：核電廠在建設(shè)的早期階段廠址選擇的調(diào)研中，需考慮飛射物對核電站可能的影響；對于飛射物的質(zhì)量、速度、形狀、尺寸、材料、結(jié)構(gòu)特點、沖擊角度等參數(shù)需要詳細(xì)的調(diào)查[43]。EJ 420—89核標(biāo)準(zhǔn)給出了核電廠龍卷風(fēng)飛射物的設(shè)計譜。1991年中國核安全局批準(zhǔn)發(fā)布的《核電廠廠址選擇的極端氣象條件》（HAD101/10）給出風(fēng)致飛射物的暫行規(guī)定[44]：1 800 kg重的汽車，125 kg重的20 cm穿甲炮彈， 2.5 cm實心鋼球；飛射物的碰撞速度取設(shè)計基準(zhǔn)龍卷風(fēng)最大水平風(fēng)速的35%。

這些規(guī)定明顯過于粗糙，依據(jù)也并不充分：核標(biāo)準(zhǔn)中僅給出3種較為單一的鈍體飛射物，而實際龍卷風(fēng)產(chǎn)生的飛射物是多種多樣的，且對于飛射物沖擊速度的規(guī)定也較為籠統(tǒng)；飛射物前段形態(tài)及其沖擊破壞效果的影響是顯而易見的，至少應(yīng)該區(qū)分鈍體和尖銳飛射物的不同。

2.3核電站結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計方法

目前，荷載規(guī)范均不涉及結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計，但在核電站設(shè)計中，都列入了抗龍卷風(fēng)設(shè)計的相關(guān)要求，一般采用如下步驟：

1） 確定結(jié)構(gòu)所在區(qū)域龍卷風(fēng)設(shè)計基準(zhǔn)。收集區(qū)域內(nèi)龍卷風(fēng)的歷史資料并分析龍卷風(fēng)的時空分布特征，根據(jù)核標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)方法計算得出區(qū)域龍卷風(fēng)設(shè)計基準(zhǔn)參數(shù)，包括龍卷風(fēng)等級、最大旋轉(zhuǎn)風(fēng)速半徑以及設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速等參數(shù)[43]。

2） 確定龍卷風(fēng)風(fēng)壓。采用調(diào)研獲得的龍卷風(fēng)設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速等參數(shù)，根據(jù)有關(guān)核標(biāo)準(zhǔn)計算龍卷風(fēng)風(fēng)壓。各國的計算方法具體雖有不同，但其思路都是以常規(guī)風(fēng)荷載風(fēng)壓計算方法為基礎(chǔ)修改相應(yīng)參數(shù)來獲取風(fēng)卷風(fēng)風(fēng)壓。采用二維Rankine渦確定龍卷風(fēng)風(fēng)速分布、風(fēng)壓計算時假設(shè)風(fēng)速與相應(yīng)的風(fēng)壓不隨離地面的高度變化。

中國EJ 42089標(biāo)準(zhǔn)中給出的建筑物表面龍卷風(fēng)荷載計算公式如式（5）[28]。

Ww=K1·K2·W0（5）

式中：W0是設(shè)計基準(zhǔn)龍卷風(fēng)的風(fēng)壓，基本風(fēng)壓公式通過伯努利方程推導(dǎo)，適用條件是不可壓縮氣體，當(dāng)風(fēng)速不大于 102 m/s時，此假設(shè)是成立的。值得注意的是空氣密度需要考慮氣流夾雨滴、水汽、沙塵、雜物等修正。對于龍卷風(fēng)而言，陣風(fēng)系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù)可以假定為 1。K1是尺寸系數(shù)，設(shè)計風(fēng)速由最大風(fēng)速決定，為了得出設(shè)計所需要的平均壓力，在結(jié)構(gòu)的風(fēng)載考慮中可計入小于 1 的結(jié)構(gòu)尺寸系數(shù)，以適當(dāng)考慮實際龍卷風(fēng)風(fēng)壓分布的不均勻性。K2是風(fēng)荷載體型系數(shù)，由于龍卷風(fēng)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)速的分布近似地為Rankine漩渦所控制，風(fēng)載的結(jié)構(gòu)體型系數(shù)可參考常規(guī)風(fēng)荷載規(guī)范。endprint

3） 確定龍卷風(fēng)降壓差。美國和中國核標(biāo)準(zhǔn)都是以Wen龍卷風(fēng)半經(jīng)驗理論模型為基礎(chǔ)，獲得龍卷風(fēng)降壓差[4，44]。EJ 42089標(biāo)準(zhǔn)中采用一個近似為梯形的階梯函數(shù)來考慮作用在屋頂和墻體上的差壓荷載。

4） 確定飛射物的沖擊性能。根據(jù)確定的龍卷風(fēng)設(shè)計基準(zhǔn)參數(shù)，參照相關(guān)核標(biāo)準(zhǔn)飛射物設(shè)計速度譜，確定飛射物的材質(zhì)、形狀、質(zhì)量、速度等參數(shù)。

5） 荷載組合。對于飛射物沖擊作用，先將沖擊動力荷載等效成靜態(tài)力，然后與其他靜荷載進行組合，將組合荷載施加在結(jié)構(gòu)上進行結(jié)構(gòu)驗算。

以上基于靜態(tài)計算的抗龍卷風(fēng)設(shè)計方法，雖然具有簡便、實用的特點，但在合理、準(zhǔn)確性方面仍存在明顯不足：依據(jù)二維Rankine渦確定龍卷風(fēng)荷載，無法考慮龍卷風(fēng)軸向運動產(chǎn)生的軸吸力作用，而龍卷風(fēng)產(chǎn)生的軸向吸力往往對房屋屋頂造成嚴(yán)重的破壞；沒有考慮龍卷風(fēng)的平移運動和風(fēng)致扭轉(zhuǎn)作用對結(jié)構(gòu)的作用，龍卷風(fēng)的平移運動會增強風(fēng)吸力作用，而風(fēng)致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也是導(dǎo)致房屋產(chǎn)生破壞的重要因素；龍卷風(fēng)風(fēng)場是非常復(fù)雜的渦旋，龍卷風(fēng)降壓差與常規(guī)風(fēng)降壓差有所不同，采用近似為梯形的階梯函數(shù)來考慮龍卷風(fēng)降壓差是否準(zhǔn)確需要進一步驗證；采用基于靜態(tài)計算的方法不能正確反映風(fēng)致飛射物沖擊作用的短時瞬變特性和響應(yīng)局部化特征。

3核電站結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)研究存在的問

題與發(fā)展趨勢

由上述研究現(xiàn)狀看出，學(xué)者們對龍卷風(fēng)的場及風(fēng)致荷載的研究從最早采用災(zāi)后結(jié)果實測到理論研究，從二維理論模型逐漸推廣到各種三維理論模型研究，再到風(fēng)洞實驗和有限元方法數(shù)值模擬研究，均取得了一定成果，為結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計提供了有力的理論依據(jù)。但由于龍卷風(fēng)發(fā)生地域有限、發(fā)生概率極低、設(shè)防成本過高，直接導(dǎo)致了研究動力不足，相關(guān)理論無論其完備性還是深入程度都存在欠缺或不足。面向特種結(jié)構(gòu)的設(shè)防需求，以下問題值得關(guān)注也有待解決。

1） 盡管學(xué)者們對于龍卷風(fēng)風(fēng)場的研究投入了大量的精力，但是由于龍卷風(fēng)的作用范圍小，生消快，其發(fā)生時間和位置難以確定等特點，人們對其了解得不透徹，已有的各類龍卷風(fēng)風(fēng)場理論模型也都需要進一步的驗證與完善。

2） 現(xiàn)行龍卷風(fēng)風(fēng)壓荷載的確定方法仍有不足之處，首先Rankine渦理論模型沒有考慮渦旋軸向運動，這與現(xiàn)實中的龍卷風(fēng)運動不符，因此，無法考慮龍卷風(fēng)產(chǎn)生的軸向吸力，而龍卷風(fēng)吸力可能對結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞，尤其底層房屋屋頂可能因為龍卷風(fēng)吸力而被掀翻。其次，龍卷風(fēng)風(fēng)壓是在常規(guī)風(fēng)荷載基礎(chǔ)上加以修正而獲得，體型系數(shù)、尺寸系數(shù)等修正參數(shù)有待精確。結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計并未考慮龍卷風(fēng)運動的移動性和運動過程產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)運動，這些方面仍需深入研究。

3） 結(jié)構(gòu)因風(fēng)致飛射物的損害是一系列隨機事件，且飛射物進入風(fēng)場的方式也不同，這造成確定風(fēng)致飛射物的沖擊性能上的困難。故而工程上采用標(biāo)準(zhǔn)的龍卷風(fēng)設(shè)計譜確定風(fēng)致飛射物的沖擊性能。然而設(shè)計譜中的風(fēng)致飛射物種類有限，并不能全面覆蓋龍卷風(fēng)運動過程中可能發(fā)生的各類突發(fā)狀況。如現(xiàn)行規(guī)定中僅給出鋼管、汽車和2.5 cm實心鋼球3類飛射物的設(shè)計譜，而現(xiàn)實龍卷風(fēng)可能產(chǎn)生角鋼、鋼板及建筑受龍卷風(fēng)襲擊自身產(chǎn)生的飛射物等。角鋼等尖銳飛射物對結(jié)構(gòu)的沖擊性能是否可以參照設(shè)計譜給出的數(shù)據(jù)設(shè)計是個開放性問題；不同種類飛射物對結(jié)構(gòu)的沖擊持時有所不同，然而規(guī)定中并未涉及此類問題。因此對于各類典型風(fēng)致飛射物的沖擊性能研究還有待完善。

4） 目前對于風(fēng)致飛射物的研究主要集中在飛射物性能和其對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的沖擊影響研究，一般不考慮飛射物本身的剛度特性以及與靶體的耦合效應(yīng)，這方面有待擴展。

5） 現(xiàn)行規(guī)范對風(fēng)致飛射物的沖擊荷載設(shè)計方法為擬靜力方法，將動力荷載簡化為靜力荷載施加于結(jié)構(gòu)進行分析，該分析方法存在計算不夠準(zhǔn)確、不能正確反應(yīng)結(jié)構(gòu)破壞的局部效應(yīng)等問題。飛射物的形狀、飛射角度、飛射物材質(zhì)剛度等因素都可能影響結(jié)構(gòu)破壞的局部效應(yīng)，而采用擬靜力方法無法體現(xiàn)其影響結(jié)果?，F(xiàn)行抗龍卷風(fēng)設(shè)計中采用公式估算飛射物侵徹深度來考慮結(jié)構(gòu)防止飛射物穿透，驗算可靠性有待研究。因此，對于采用風(fēng)致飛射物的沖擊力曲線進行動力時程分析或者用有限元進行風(fēng)致飛射物沖擊結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)分析值得研究。

參考文獻：

[1]

曾輝，馬中元，聶秋生. 核電站評價區(qū)域龍卷風(fēng)的統(tǒng)計與天氣特征分析[J]. 氣象水文海洋儀器， 2012，29（2）： 4651， 55.

ZENG H， MA Z Y， NIE Q S. Statistics on the tornado in evaluation area of nuclear power plant and weather characteristics analysis[J]. Meteorologica1， Hydrological and Marine Instruments， 2012，29（2）：4651，55. （in Chinese）

[2] 魏文秀，趙亞民. 中國龍卷風(fēng)的若干特征[J]. 氣象， 1995（5）： 3640.

WEI W X， ZHAO Y M. The characteristics of tornadoes in China [J]. Meteorological Monthly， 1995（5）： 3640. （in Chinese）

[3] 埃米爾·?？?，羅伯特·H·斯坎倫. 風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用—風(fēng)工程導(dǎo)論[M].劉尚培，項海帆，謝霽明，譯. 上海：同濟大學(xué)出版社， 1992.

[4] US Nuclear Regulatory Commision，Designbasis tornado and tornado missiles for nuclear power plants： Regulatory guide 1.076 [S]. Washington： Office of Nuclear Regulatory Research， 2007.endprint

[5] HOECKER W H. Threedimensional pressure pattern of the Dallas tornado and some resultant implications[J]. Monthly Weather Review， 1961， 89（6）： 533542.

[6] HOECKER W H. Wind speed and air flow patterns in the Dallas tornado of April 2， 1957[J]. Monthly Weather Review， 1960， 88（5）： 167180.

[7] SUN C N，BURDETTE E G，BARNETT R O. Theoretical tornado vortex model for nuclear plant design [J]. Nuclear Engineering and Design， 1977， 44（3）： 407411.

[8] 唐飛燕，湯卓，呂令毅. 龍卷風(fēng)場中沙粒對結(jié)構(gòu)沖擊作用的研究[J]. 工程建設(shè)， 2013（3）： 1923.

TANG F Y， TANG Z， LU L Y. Study on impact action of sand particles in tornado field to the structure[J]. Engineering Construction， 2013（3）： 1923. （in Chinese）

[9] 白俊峰，鞠彥忠，曾聰. 龍卷風(fēng)作用下空間桁架的受力分析[J]. 東北電力大學(xué)學(xué)報， 2011（Sup1）： 4651.

BAI J F， JU Y Z， ZENG C. Force analysis of space truss subjected to tornado loads[J]. Journal of Northeast Dianli University， 2011（Sup1）： 4651. （in Chinese）

[10] 甘文舉，何益斌. Rankine渦平移模型下低層房屋龍卷風(fēng)荷載的分析[J]. 四川建筑科學(xué)研究， 2009（1）： 8486.

GAN W J， HE Y B. Analysis of tornado forces on lowrise buildings according to the model of transmitting Rankine vortex[J]. Sichuan Building Science， 2009（1）： 8486. （in Chinese）

[11] KUO H L. Axisymmetric flows in the boundary layer of a maintained vortex [J]. Journal of the Atmospheric Sciences， 1971，28（11）： 2041.

[12] WEN Y K. Dynamic tornadic wind loads on tall buildingsclosure [J]. Journal of the Structural Division， ASCE， 1976（5）： 11601162.

[13] SAVORY E，PARKE G A R，ZEINODDINI M， et al. Modelling of tornado and microburstinduced wind loading and failure of a lattice transmission tower [J]. Engineering Structures， 2001， 23（4）： 365375.

[14] 陳艾榮，劉志文，周志勇. 大跨徑斜拉橋在龍卷風(fēng)作用下的響應(yīng)分析[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2005（5）： 569574.

CHEN A R， LIU Z W， ZHOU Z Y. Tornado effects on large span cablestayed bridges[J]. Journal of Tongji University（Natural Science）， 2005（5）： 569574. （in Chinese）

[15] 湯卓，張源，呂令毅. 龍卷風(fēng)風(fēng)場模型及風(fēng)荷載研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報， 2012（3）： 104110.

TANG Z， ZHANG Y， LU L Y. Study on tornado model and tornadoinduced wind loads[J]. Journal of Building Structures， 2012（3）： 104110. （in Chinese）

[16] BURGERS J M. A mathematical model illustrating the theory of turbulence [J]. Advances in Applied Mechanics， 1948（1）： 171199.

[17] 童秉綱，尹協(xié)遠，朱克勤. 渦運動理論[M]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社， 2009.

[18] ROTT N. On the viscous core of a line vortex[J]. Zeitschrift Fur Angewandte Mathematik Und Physik， 1958（5/6）： 543553.

[19] 甘文舉，何益斌，童小龍. 龍卷風(fēng)近地移動梯度對低層房屋風(fēng)場影響[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）， 2011（4）： 2225.endprint

GAN W J， HE Y B， TONG X L. Infuluence of nearground translational gradient on the tornadoinduced windfield around a lowrise building[J]. Journal of Zhengzhou University （Engineering Science）， 2011（4）： 2225. （in Chinese）

[20] ZHANG W. Effects of ground roughness on tornadolike vortex using PIV[C]// The 1st American Association for Wind Engineering Workshop， Vail， Colorado， 2008.

[21] SENGUPTA A，HAAN F L，SARKAR P P， et al. Transient loads on buildings in microburst and tornado winds [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2008， 96（10/11）： 21732187.

[22] YANG Z，SARKAR P，HU H. An experimental study of a highrise building model in tornadolike winds [J]. Journal of Fluids and Structures， 2011， 27（4）： 471486.

[23] SABAREESH G R，MATSUI M，TAMURA Y. Dependence of surface pressures on a cubic building in tornado like flow on building location and ground roughness[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2012， 103（1）： 5059.

[24] NATARAJAN D，HANGAN H. Large eddy simulations of translation and surface roughness effects on tornadolike vortices[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2012， 104106： 577584.

[25] GEETHA R S，MATSUI M，TAMURA Y. Characteristics of internal pressures and net local roof wind forces on a building exposed to a tornadolike vortex [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2013， 112（1）： 5257.

[26] SABAREESH G R，MATSUI M，TAMURA Y. Ground roughness effects on internal pressure characteristics for buildings exposed to tornadolike flow [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2013， 122（11）： 113117.

[27] 夏祖諷. 秦山核電廠核安全結(jié)構(gòu)的抗龍卷風(fēng)設(shè)計[J]. 核動力工程， 1987（6）： 2628.

XIA Z F. Tornadoresistance design for the nuclear safety structure of the Qinshan nuclear power plant [J]. Nuclear Power Engineering， 1987（6）： 2628. （in Chinese）

[28] EJ42089 三十萬千瓦壓水堆核電廠安全重要土建結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)[R]. 北京：中華人民共和國核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

[29] 劉偉，張博，剛芹果. 漏斗結(jié)構(gòu)平移模型下房屋龍卷風(fēng)荷載的分析[J]. 山西建筑， 2010（35）： 12.

LIU W， ZHANG B， GANG Q G. Analysis on house tornado load under transitional model of funnel structure [J]. Shanxi Architecture， 2010（35）： 12. （in Chinese）

[30] 湯卓，王兆勇，卓士梅，等. 龍卷風(fēng)作用下雙坡屋面風(fēng)壓分布試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報， 2013（9）： 112117.

TANG Z， WANG Z Y， ZHUO S M， et al. Experimental study on pressure distribution of gable roof to tornado[J]. Journal of Building Structures， 2013（9）： 112117. （in Chinese）

[31] LEE A J H. A general study of tornadogenerated missiles [J]. Nuclear Engineering and Design， 1974， 30（3）： 418433.endprint

[32] KAR A K. Loading time history for tornadogenerated missiles [J]. Nuclear Engineering and Design， 1979， 51（3）： 487493.

[33] KAR A K. Impact load for tornadogenerated missiles[J]. Nuclear Engineering and Design， 1978， 47（1）： 107114.

[34] STEPHENSON A E，SLITER G E，BURDETTE E G. Fullscale tornadomissile impact tests[J]. Nuclear Engineering and Design， 1978， 46（1）： 123143.

[35] TWISDALE L A，DUNN W L，DAVIS T L. Tornado missile transport analysis [J]. Nuclear Engineering and Design， 1979， 51（2）： 295308.

[36] DUNN W L，TWISDALE L A. A synthesized windfield model for tornado missile transport[J]. Nuclear Engineering and Design， 1979， 52（1）： 135144.

[37] MCDONALD J R. Impact resistance of common building materials to tornado missiles[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1990， 36，（13）： 717724.

[38] SCHMIDLIN T W，KING P S，HAMMER B O， et al. Behavior of vehicles during Tornado winds[J]. Journal of Safety Research， 1998， 29（3）： 181186.

[39] WILLS J A B，LEE B E，WYATT T A. A model of windborne debris damage[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2002， 90（4/5）： 555565.

[40] MARUYAMA T. Simulation of flying debris using a numerically generated tornadolike vortex[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2011， 99（4）： 249256.

[41] ZHOU H，DHIRADHAMVIT K，ATTARD T L. Tornadoborne debris impact performance of an innovative storm safe room system protected by a carbon fiber reinforced hybrid polymericmatrix composite [J]. Engineering Structures， 2014， 59（2）： 308319.

[42] LI J，WANG S，JOHNSON W. Pipe/duct system design for tornado missile impact loads[J]. Nuclear Engineering and Design， 2014， 269（4）： 217221.

[43] 國家核安全局. 核電廠廠址選擇的外部人為事件[R]. 北京：中國法制出版社， 1989.

[44] 國家核安全局. HAD101/10 核電廠廠址選擇的極端氣象事件[R]. 北京：中國法制出版社， 1991.

（編輯胡玲）endprint