楊娜，劉威，白凡，2，葛瀚文

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.結(jié)構(gòu)風工程與城市風環(huán)境北京市重點實驗室（北京交通大學），北京 100044）

隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，輕鋼結(jié)構(gòu)以其自重輕、工廠預(yù)制化程度高等特點，在廠房建筑中被廣泛應(yīng)用[1-2].其中部分輕鋼屋面系統(tǒng)是由檁條及壓型鋼板通過自攻釘連接構(gòu)成.由于屋面系統(tǒng)材質(zhì)輕、柔度大，在局部屋面板承受較大的風吸力后，其自攻釘節(jié)點處往往會發(fā)生拔出破壞，從而導致整個輕鋼屋面系統(tǒng)失效[3-4]，因此，針對自攻釘節(jié)點的災(zāi)后性能評估方法亟待研究，從而為后期的屋面節(jié)點體系設(shè)計與服役期限評估提供理論支撐.

目前，學者們從不同層面對自攻釘節(jié)點的抗風性能進行了研究.在靜力抗風性能方面，Xu 等[5-6]和Mahendran[7]對澳大利亞常用的輕鋼屋面自攻釘節(jié)點進行了試驗研究，驗證了輕鋼屋面系統(tǒng)的失效是由于自攻釘節(jié)點處的局部破壞所致，分析了不同類型壓型鋼板的節(jié)點破壞過程及其抗風性能的影響因素.在節(jié)點的疲勞抗風性能方面，Morgan 等[8]和Beck 等[9]探討了自攻釘連接式輕鋼屋面發(fā)生疲勞損傷破壞的可能性，并通過疲勞試驗表明，臺風作用會使自攻釘節(jié)點周圍的鋼板局部破壞.在以往試驗中，雙跨足尺的屋面模型是研究自攻釘節(jié)點疲勞所常用的試驗構(gòu)件.然而，雙跨足尺的試驗?zāi)Ｐ蛯τ诮ㄔ旃に囈筝^高，且試驗成本高、耗時長.因此，Mahendran[10]通過研究模型較小且更易于操作的單節(jié)點試驗?zāi)Ｐ吞娲藗鹘y(tǒng)雙跨足尺模型并得到廣泛應(yīng)用.Xu[11]通過對循環(huán)荷載范圍與均值分布的數(shù)據(jù)分析，驗證了在疲勞損傷計算中，參考循環(huán)荷載范圍的意義遠大于參考循環(huán)荷載均值.伴隨風壓系數(shù)循環(huán)范圍與均值的上升，風荷載循環(huán)次數(shù)集中在均值等于1/2 范圍處.在輕鋼系統(tǒng)的災(zāi)后性能評估方面，宋芳芳等[12]分析了臺風作用期間輕鋼結(jié)構(gòu)的破壞過程，提出了風災(zāi)破壞全過程的預(yù)測分析方法等.黃國慶等[13]、趙明偉等[14]建立了構(gòu)件抗力模型，通過預(yù)先設(shè)定構(gòu)件的破壞準則，基于蒙特卡羅模擬，得到了各類構(gòu)件及整體的超越破壞概率曲線.Mahendran 等[15]通過恒幅循環(huán)測試對自攻釘連接的檁條-腹板系統(tǒng)進行研究，給出了輕鋼屋面自攻釘結(jié)構(gòu)的抗疲勞曲線以及疲勞破壞設(shè)計方程.Myuran 等[16]、葛瀚文[17]結(jié)合靜力及疲勞試驗，考慮了在風致作用下自攻釘節(jié)點的靜力極限承載力受疲勞的影響，得到其靜力-疲勞統(tǒng)一方程，從而為該類節(jié)點抗疲勞設(shè)計和評估提供參考.

在時變可靠度研究方面，張建仁等[18]在既有混凝土橋梁荷載和抗力的時變性基礎(chǔ)上，建立了在役橋梁的時變可靠度計算模型.王草等[19]考慮非平穩(wěn)車載過程研究了橋梁時變可靠度評估新方法，并給出了考慮非平穩(wěn)車載過程的橋梁結(jié)構(gòu)時變可靠度顯式計算公式.劉威等[20]基于大氣銹蝕模型和簡支檁條的屈曲計算理論，結(jié)合時變可靠度方法，提出了銹蝕檁條在臺風作用下的可靠度計算模型.以上研究的共同特點是結(jié)構(gòu)抗力的退化均服從連續(xù)分布，并均能推導出對應(yīng)結(jié)構(gòu)的時變可靠度顯式計算公式.而對于本文主要研究的臺風致?lián)p傷，輕鋼屋面自攻釘節(jié)點抗力退化隨每次臺風荷載的發(fā)生而突變.此時基于顯式的時變可靠度公式推導將不再適用，因此選擇蒙特卡羅方法進行研究.

綜上所述，本文首先通過模擬臺風（風向和風速）方法，即基于風壓系數(shù)時程數(shù)據(jù)，通過雨流分析法得到臺風通過期間的風壓系數(shù)矩陣；再結(jié)合自攻釘節(jié)點的承載力隨循環(huán)荷載幅值的退化規(guī)律，計算出不同風速下?lián)p傷值的變化情況，從而得到自攻釘節(jié)點在臺風作用下的抗力退化模型；繼而進行基于概率的自攻釘節(jié)點抗風性能評估，分析并預(yù)測各沿海城市自攻釘節(jié)點的時變可靠度指標及服役壽命.

1 時變可靠度計算模型

本文通過蒙特卡羅模擬，設(shè)計了屋面自攻釘節(jié)點在臺風致疲勞作用下的時變可靠度計算程序.圖1（a）給出了自攻釘節(jié)點疲勞破壞的時變可靠度計算模型，即自攻釘節(jié)點抗力R 及臺風荷載S（不考慮其他荷載效應(yīng)）的變化模型.每當輕鋼屋面系統(tǒng)遭遇一次臺風荷載Si，自攻釘節(jié)點抗力Ri下降ΔRi.fR（r）、fS（s）分別為抗力、荷載的概率密度函數(shù)，μR（t）、μS（t）分別為抗力均值、荷載均值隨時間的變化關(guān)系.

計算流程如圖1（b）所示，其中Z=R-S 為結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)方程，對應(yīng)的極限狀態(tài)是輕鋼屋面系統(tǒng)自攻釘節(jié)點的疲勞破壞.具體步驟如下.

圖1 時變可靠度計算方法Fig.1 Time-dependent reliability assessment method

步驟1：輸入抗力信息及臺風概率模型.

步驟2：對于單次臺風事件L（j），隨機生成對應(yīng)的臺風發(fā)生次數(shù)n 及對應(yīng)的n 個臺風荷載Sn.

步驟3：計算由每次臺風荷載Sn引起的抗力退化值ΔRn.

步驟4：每次臺風過后，檢查極限狀態(tài)方程Zn，若Zn＞0，則繼續(xù)計算，否則停止計算，并將事件L（j）記錄為失效事件.

步驟5：使用蒙特卡羅模擬，重復(fù)計算100 萬次，使計算結(jié)果趨于穩(wěn)定的失效概率，然后將失效事件總次數(shù)除以事件發(fā)生的總次數(shù)，得出該抗力與荷載分布模型下的失效概率.

1.1 基于概率分布的臺風荷載模型

1.1.1 臺風發(fā)生次數(shù)

在沿海地區(qū)，輕鋼屋面系統(tǒng)經(jīng)常遭遇風荷載影響.本文采用平穩(wěn)Poisson 過程來模擬臺風發(fā)生，即在任一時間段（0，tL]內(nèi)，臺風事件發(fā)生次數(shù)N（t）=x 的概率為：

式中：x 為自然數(shù)；λ 為Poisson 強度，即臺風頻率.

1.1.2 臺風風速分布

在臺風致疲勞作用下，不同風速導致的承載力退化程度不同.而Weibull 概率分布在風荷載強度分析中廣泛應(yīng)用，其雙參數(shù)曲線能擬合實際風速分布模型，故臺風風速的累積分布函數(shù)可表示為：

式中：v 為10 min 計平均風速，m/s；β 和u 分別為服從Weibull 分布的形狀及尺度參數(shù).

1.1.3 風荷載標準值

參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[21]，風荷載標準值wk（單位為kN/m2）為：

式中：βgz為陣風系數(shù)；μs1為風荷載局部體型系數(shù)；μz為風壓高度變化系數(shù)；w0為基本風壓，kN/m2.

1.2 臺風致自攻釘節(jié)點抗力退化模型

為研究臺風期間屋面自攻釘節(jié)點的疲勞性能，從而得到其損傷值與風速的關(guān)系.本文參照Jancauskas 等[22]的模擬臺風方法，首先基于風洞試驗的屋面時程風壓系數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合臺風通過時的風速和風向信息，利用雨流分析法計算臺風過境期間的實際尺寸屋面風壓系數(shù)矩陣.結(jié)合自攻釘節(jié)點抗力退化特性，計算不同風速下自攻釘節(jié)點由臺風作用導致的抗力退化情況，從而得到輕鋼屋面中自攻釘節(jié)點抗力退化模型.

1.2.1 風洞實驗屋面風壓系數(shù)矩陣

本文屋面風壓系數(shù)時程數(shù)據(jù)基于東京工藝大學（Tokyo Polytechnic University，TPU）的空氣動力學數(shù)據(jù)庫[23]，該數(shù)據(jù)庫基于模擬郊區(qū)低矮建筑風洞試驗.其中，試驗縮尺模型比例為1 ∶100，速度縮尺比例為1 ∶3，時間縮尺比例為3 ∶100.模擬風場的風速對應(yīng)于實際10 m 高度處22 m/s.為考慮風荷載作用下輕鋼屋面的最不利位置，選擇平屋面屋角處為測試點.采樣頻率為15 Hz，采樣時長600 s.包括了0～180°風向內(nèi)間隔為15°的13 組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)由9 000 個時程風壓系數(shù)組成.房屋模型的長、寬、高分別為240 mm、160 mm、40 mm.

在估算結(jié)構(gòu)因疲勞損傷而導致的抗力退化時，諸如Minner 損傷準則等的線性損傷理論是基于荷載的循環(huán)次數(shù).因此，需要將本文獲取的風壓系數(shù)時程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成循環(huán)荷載作用次數(shù)的分布形式.利用雨流分析法[24]，可將風荷載時程曲線轉(zhuǎn)換為若干個荷載循環(huán)，進而用于抗力退化值的計算.

雨流分析以雙參數(shù)法為基礎(chǔ)，基本原理如圖2所示.對于風壓系數(shù)時程記錄的每個荷載循環(huán)，根據(jù)該循環(huán)荷載的均值和范圍進行分類.通過雨流分析法得到了風向為0～180°，間隔為15°的13 個風壓系數(shù)循環(huán)矩陣.矩陣的第一行和第一列分別為由“風壓系數(shù)”表示的循環(huán)荷載的范圍和均值，每個單元內(nèi)給出了對應(yīng)的荷載循環(huán)次數(shù).表1 列出了45°風向處的風壓系數(shù)矩陣.有些正壓循環(huán)單元（屋面向下風壓作用），對屋頂造成的疲勞損傷可忽略[22]，故不包括在分析矩陣中.

圖2 雨流分析法原理圖Fig.2 Principle of the rain flow count method

表1 45°風向處風壓系數(shù)矩陣Tab.1 Matrix of wind pressure coefficient at 45°wind direction kPa

1.2.2 模擬臺風法

1）模擬臺風概述

通常僅根據(jù)最大風速來指定設(shè)計風，而疲勞對應(yīng)的是一段時間內(nèi)風壓的作用，因此有必要根據(jù)風速和風向在其持續(xù)時間內(nèi)的變化來指定設(shè)計臺風，假設(shè)為5 h[22].在臺風通過期間，通常會在風眼路徑的邊緣生成最大破壞程度的風荷載，其風速根據(jù)臺風行進速度矢量進行疊加.

臺風過境時，風眼到達不同位置的風速取決于中心壓力p、臺風風速最大時的半徑R′、風眼前進速度U 以及地形和其他氣象因素.當r′=R′時（如圖3所示），所產(chǎn)生的峰值風速方向與最大峰值壓力方向一致.根據(jù)從模型房屋屋面角部得到的不同風向下的風壓系數(shù)時程矩陣，當臺風行進2.5 h 后，模型房屋位于風眼路徑的邊緣，此時行進速度與切向速度夾角a 為0°，臺風風向角度θ 為75°，也就是自攻釘節(jié)點的最不利風向情況.根據(jù)計算房屋與臺風的相對運動，得到風眼距房屋不同位置處的風向及風速.

圖3 模擬臺風通過期間的風速和風向分析模型Fig.3 Analytical model of wind speed and direction during simulated typhoon passage

由于自攻釘節(jié)點的疲勞損傷值與對應(yīng)荷載幅值下循環(huán)次數(shù)有關(guān)，而根據(jù)風洞試驗數(shù)據(jù)得到的風壓系數(shù)矩陣中，荷載循環(huán)次數(shù)取決于分析時間間隔的時長.文獻[22]指出，在臺風過境期間，選取分析時間間隔（Δt）為15 min 最接近真實工況，其中臺風總作用時間5 h 內(nèi)的第一次、最后一次分析時間間隔選為7.5 min.并假定在該時間間隔內(nèi)，建筑物所受到的風向角度和平均風速恒定.

2）模擬臺風風速的確定

為了確定模擬臺風的風速，Walker 等[25]給出經(jīng)驗公式用于計算距臺風中心為r′，10 m 高度處的最大10 min 計平均風速V.

式中：Vp=，p 為臺風中心大氣壓，kPa；R′為峰值風速處的半徑，km；切向速度Vp（R′/r′）k及前進速度Uf為向量相加（見圖3）；C 和k 為常數(shù)，可由臺風數(shù)據(jù)擬合得到；K 為地形摩擦損失因子；以下參數(shù)假定[11]為當r′=R′時出現(xiàn)的峰值風速參數(shù)，適用于郊區(qū)一類的地形條件，陣風因子取1.7，3 s 最大峰值風速為70 m/s.其中，臺風中心大氣壓p=93 kPa，風眼前進速度Uf=2 m/s，峰值風速處半徑R′=25 km，C=4.5，k=0.67.

3）模擬臺風風速及風向隨過境時間的關(guān)系

基于上述模擬臺風模型及特征：（a）可計算臺風通過期間不同時段的風速大小.其中，由于風洞試驗?zāi)M的是4 m 高度處，所以還需要將經(jīng)驗公式計算的10 m 高度處10 min 計風速按公式（6）轉(zhuǎn)化為房屋模型所對應(yīng)的4 m 高度處的10 min 計平均風速；（b）利用三角幾何關(guān)系和向量加法法則可計算不同時段的風向.

以第11 個分析時間間隔，即圖3 中T=2.5 h、切向速度與行進速度夾角為75°、r′=R′=25 km 這一情況為例，計算可得10 m 高度處最大10 min 計平均風速約為42 m/s，即臺風最大切向速度為40 m/s，前進速度Uf為2 m/s.按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，轉(zhuǎn)化為房屋模型所對應(yīng)4 m 高度處10 min 計平均風速為42 m/s，即：

式中：Vz為所求高度z m 處的10 min 計平均風速，m/s；V10為10 m 高度10 min 計平均風速，地形條件為郊區(qū)，風壓高度變化系數(shù)截斷高度為10 m，風速剖面指數(shù)α 取0.15.

式（7）和式（8）分別給出了本文模擬臺風方法所得到的風速（4 m 高度處10 min 計）及風向的解析解：

式中：θ 為風向角度；a 為行進速度與切向速度夾角；r為建筑物至風眼距離，m；d 為建筑物與臺風風眼在路徑上的投影距離，m；T 為臺風作用時間，s；n 為分析時間間隔，s；n 為分析次序.且式（7）（8）所涉及的其他距離單位均為m，時間單位均為s.

圖4 給出了模擬臺風通過期間，3 s 計極值風速50～85 m/s 下，陣風因子為1.7 時，4 m 高度處屋面角位置10 min 計平均風速和風向變化.

由于臺風最大切向風速與前進速度Uf存在較大差距，使得風向夾角受極值風速影響較小，故在本次分析中，極值風速對各風向角度影響趨于同一條直線.

1.2.3 基于模擬臺風法轉(zhuǎn)換的實際尺寸屋面風壓系數(shù)矩陣

根據(jù)風洞試驗時程風壓系數(shù)數(shù)據(jù)，對每個時間間隔內(nèi)的風壓系數(shù)矩陣（見表1）進行如公式（9）的轉(zhuǎn)換，從而得到實際尺寸下屋面風壓系數(shù)矩陣（見表2），具體轉(zhuǎn)換方法如下：

1）通過對1.2.1 節(jié)13 個不同風向角度的屋面風壓系數(shù)矩陣之間選取相近的矩陣進行線性插值，從而確定圖4 中21 個時間間隔內(nèi)對應(yīng)風向角度的風壓系數(shù)矩陣.

2）使用式（9）將風壓系數(shù)矩陣（荷載循環(huán)次數(shù)）從風洞模型條件轉(zhuǎn)換為實際尺寸條件.

式中：Nf為實際尺寸屋面風壓系數(shù)矩陣的循環(huán)次數(shù)；Nwt為風洞實驗屋面風壓系數(shù)矩陣的循環(huán)次數(shù)；V1為圖4 中的最大10 min 平均風速，m/s；T1為速度V1的持續(xù)時間，s，即分析時間間隔；Vwt為風洞中的平均風速，約為10 m 高度處22 m/s；Twt為風洞作用時間，約為實際條件下20 000 s.

對于15 min 分析時間間隔，通過上述計算方法可以得到21 個實際尺寸建筑的風壓系數(shù)矩陣.以3 s 極值風速為70 m/s 的臺風為例，45°風向下的實際尺寸風壓系數(shù)矩陣見表2.通過觀察風壓系數(shù)矩陣，發(fā)現(xiàn)大量循環(huán)集中在低循環(huán)均值和低循環(huán)范圍處.隨著循環(huán)均值或循環(huán)范圍的增大，循環(huán)次數(shù)變得更小.

表2 45°實際尺寸風壓系數(shù)矩陣Tab.2 Matrix of wind pressure coefficients for actual dimensions at 45° kPa

1.2.4 臺風致自攻釘節(jié)點抗力退化模型

根據(jù)1.2.3 節(jié)可得到一次臺風過境期間21 個時間間隔（對應(yīng)于21 個風向角度）的實際尺寸建筑風壓系數(shù)矩陣.為結(jié)合抗力退化值與荷載的關(guān)系，需將風壓系數(shù)Cp轉(zhuǎn)化為已知風速下的風荷載值w，kN/m2：

式中：w0=v2/1 600.

考慮常見輕鋼屋面檁條間距為1 m，V125 型壓型鋼板單跨長度為0.25 m，則風荷載作用面積為0.25 m2.為便于計算抗力退化值，將式（10）中風荷載值w 寫為用力表達的形式，即：將表2 風壓系數(shù)矩陣中的第一行循環(huán)荷載范圍寫成力表達的形式：

基于相關(guān)自攻釘節(jié)點疲勞和靜力的統(tǒng)一試驗結(jié)果[17]，在不同荷載范圍作用下，單次循環(huán)荷載作用下的抗力退化值ΔF（單位為kN）與荷載范圍w′有如下關(guān)系：

對于每一個轉(zhuǎn)化后的實際尺寸屋面風壓系數(shù)矩陣，通過累積該矩陣中不同循環(huán)荷載范圍w′下的抗力退化值ΔF·Nf，可以得到n 個循環(huán)荷載范圍下的累積抗力退化值[22]：

對于以某一速度過境的臺風，通過計算可得21個時間間隔的實際尺寸屋面風壓系數(shù)矩陣的抗力退化值.以3 s 計極值風速70 m/s 為例，給出了其抗力退化的時程分布（如表3 所示）.其中為便于計算，表格中風速均為10 min 計風速.通過疊加每個時間間隔內(nèi)的抗力退化值，進而得到抗力退化值隨臺風作用時間的分布曲線.

表3 70 m/s 臺風致抗力退化值分布Tab.3 Distribution of resistance degradation value caused by typhoon of 70 m/s

基于上述計算流程，可計算出不同臺風風速下自攻釘節(jié)點的抗力退化值隨時間的分布，進而得到結(jié)構(gòu)在不同風速臺風侵襲后自攻釘節(jié)點承載力的下降情況，通過擬合可確定其退化模型，如圖5 所示.

圖5 臺風致自攻釘節(jié)點抗力退化模型Fig.5 Resistance degradation model of self-tapping screw joints caused by typhoon

最后通過擬合得到臺風致自攻釘節(jié)點抗力退化數(shù)學模型，如式（14）所示，線性相關(guān)系數(shù)為0.995 8.

該數(shù)學模型表示輕鋼屋面自攻釘節(jié)點在服役期間，每經(jīng)歷一次以10 min 計風速為vi（單位為m/s）的臺風，其抗力退化ΔRi（單位為kN）.

2 算例分析

根據(jù)上述臺風荷載模型以及臺風致節(jié)點抗力退化模型，以我國東南沿海11 個城市的輕鋼平屋頂屋面體系為例，分析自攻釘節(jié)點在考慮臺風致抗力退化作用下的時變可靠度.選取節(jié)點形式為V125 型，場地為郊區(qū)，地面粗糙程度為B 類.陣風系數(shù)取1.7，局部體形系數(shù)取1.65，風壓高度變化系數(shù)取1.0.輕鋼屋面房屋尺寸為24 m×16 m×4 m（長×寬×高），檁條間距為1 m，V125 型壓型鋼板單跨長度為0.25 m，由此可使用公式（3）（4）得到臺風風速與風荷載的關(guān)系.其中，自攻釘節(jié)點初始抗力值為1.5 kN（不考慮初始抗力的隨機性）.

2.1 各沿海城市臺風概率模型

通過統(tǒng)計我國東南沿海11 個城市的臺風數(shù)據(jù)[26]，其中包含了各地臺風重現(xiàn)期及相應(yīng)的臺風風速，通過聯(lián)立方程計算出服從Weibull 分布的雙參數(shù)u 和β 以及臺風頻率λ，結(jié)果整理如表4 所示.

表4 東南沿海城市臺風參數(shù)Tab.4 Typhoon parameters in southeast coastal cities

2.2 各沿海城市時變可靠度計算

根據(jù)不同地區(qū)的臺風荷載概率模型，結(jié)合臺風致自攻釘節(jié)點抗力退化模型，利用蒙特卡羅模擬，計算輕鋼屋面自攻釘節(jié)點在不同服役年限下的時變可靠度指標，即結(jié)構(gòu)在（0，tL]時段內(nèi)的可靠概率Rp（tL）和可靠指標分別為：

其中，若不考慮疲勞作用，則可進行初始抗力不變情況下的時變可靠度計算，此時：

通過對比抗力退化與不退化兩種情況，計算tL=5，10，15，…，50 年時的結(jié)構(gòu)可靠度.繪制11 個城市的時變可靠度指標（如圖6 所示），其中目標可靠指標基于我國《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》（GB 50068—2018）[27]以及AISI-S100-07 規(guī)范[28]，從而進行中美規(guī)范下可靠度指標的對比分析.

2.3 可靠度計算結(jié)果與分析

時變可靠度理論反映了臺風致疲勞損傷對自攻釘節(jié)點承載力退化的影響及臺風的隨機特性，使得輕鋼圍護系統(tǒng)的抗風設(shè)計更加科學合理，分析圖6可得：

1）考慮抗力退化后，輕鋼屋面自攻釘節(jié)點時變可靠度明顯下降.隨著服役時間的增加，臺風發(fā)生次數(shù)的增加，臺風荷載的影響也更加明顯，可靠度下降程度相對增大.在本文的臺風致抗力退化模型中，建筑物與臺風風眼之間的最近距離為25 km，作用時間為5 h.而在11 個城市風荷載模型中[23]，臺風荷載的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自建筑物周圍500 km 范圍內(nèi).故在本文時變可靠度分析模型下，在建筑物500 km 半徑范圍內(nèi)發(fā)生的臺風，其風眼均會行進至距離建筑物25 km處，此時代表了該區(qū)域為受臺風影響的極端危險區(qū)域，說明該假定涵蓋了臺風評估中的最不利情況.

2）本文分別參考中美兩國的目標可靠指標，其中我國《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》所提出的可靠度規(guī)范，對應(yīng)的是整個圍護結(jié)構(gòu)在三級延性破壞下的承載極限狀態(tài)，不應(yīng)小于可靠指標2.7，但未單獨針對輕鋼屋面體系做出明確規(guī)定.而在美國AISI規(guī)范中該可靠指標規(guī)定為1.5，且針對輕鋼屋面系統(tǒng)，設(shè)定的可靠指標明顯低于我國規(guī)范指標.基于我國規(guī)范給出的目標可靠指標，針對我國11 個東南沿海城市，即使在不考慮抗力退化的情況下，寧波、福州、廈門、臺北等城市在5～10 年內(nèi)將達到目標可靠指標，其余7 個城市則會在30 年內(nèi)達到該指標；而在考慮臺風致自攻釘節(jié)點抗力退化的情況下，11 個城市在前5 年服役期內(nèi)均會達到該指標.因此，對于由自攻釘連接的檁條-壓型鋼板系統(tǒng)而言，我國規(guī)范的可靠指標較為保守.

3）基于AISI 規(guī)范給出的檁條-壓型鋼板系統(tǒng)可靠指標，分析11 個沿海城市的時變可靠度可得：在不考慮抗力退化的情況下，各城市在50 年服役期內(nèi)均不會達到目標可靠指標；而在考慮臺風致抗力退化的情況下，臺北將在服役10 年左右達到目標可靠指標，上海、寧波、溫州、福州、廈門、深圳、香港則會在服役20～30 年內(nèi)達到該指標，而廣州、湛江、?？趧t有至少35～50 年的服役期.

3 結(jié)論

針對輕鋼屋面實現(xiàn)了基于概率的自攻釘節(jié)點抗風性能評估.對于抗力，首先利用模擬臺風方法，即基于相關(guān)風洞試驗的屋面時程風壓系數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合臺風通過時的風速和風向信息，利用雨流分析法計算臺風過境期間的實際尺寸屋面風壓系數(shù)矩陣；結(jié)合相關(guān)自攻釘節(jié)點疲勞和靜力的統(tǒng)一試驗結(jié)果，計算臺風致作用引起的抗力退化情況，從而得到臺風致自攻釘節(jié)點抗力退化模型.對于荷載，參考臺風荷載統(tǒng)計數(shù)據(jù)模型.最后，通過蒙特卡羅模擬，結(jié)合算例完成了輕鋼屋面自攻釘節(jié)點的臺風致時變可靠度研究，結(jié)論如下：

1）在評估臺風作用對自攻釘節(jié)點的性能削弱方面，基于模擬臺風方法給出了模擬臺風的風速及風向的解析解，同時還給出了臺風致自攻釘節(jié)點抗力退化數(shù)學模型.

2）通過時變可靠度分析，對于輕鋼屋面系統(tǒng)，我國規(guī)范中針對輕鋼屋面自攻釘節(jié)點的目標可靠指標相對保守.

3）考慮臺風致抗力退化的情況，輕鋼屋面自攻釘節(jié)點時變可靠指標顯著下降.基于算例參數(shù)及AISI 規(guī)范，僅考慮臺風作用下，臺北的輕鋼屋面自攻釘節(jié)點服役年限為10 年左右；上海、寧波、溫州、福州、廈門、深圳、香港則會在20～30 年內(nèi)到達服役年限；而廣州、湛江、海口則有至少35～50 年的服役年限.