龙卷风作用下空间桁架的受力分析

白俊峰，鞠彦忠，曾 聪

(东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012)

龙卷风是一种伴随着高速旋转的漏斗状云柱的强风涡旋，中心附近风速可达100 m/s～200 m/s，最大300 m/s。中心气压很低，一般可低至400 hPa，最低可达200 hPa。龙卷风发生的概率低于其他极端风，因此除了损坏的后果特别严重的核电站建设要考虑龙卷风外，其他建筑规范与标准中尚未包含龙卷风设计的要求［1-3］。

但随着结构风工程领域的发展和日益增多的龙卷风灾害，国外一些学者已经开始研究龙卷风对结构的作用。风作为空间桁架结构的控制荷载，本文分析龙卷风作用下空间桁架结构的受力情况，提出荷载处理方法和加载方式对结构防灾减灾具有重要意义。

1 龙卷风风场数值模型

龙卷风像一个以一定速度平移的高速旋转的圆筒，风场结构非常复杂，但可以用相互一致的参数组:切向风速、径向风速、竖向风速和平移风速以及最大切向风速半径(rmax)和气压变化来表征。各参数大小以分布见图1，图中虚线为龙卷风边界层，边界层以上的风速和边界层内部的风速分布不同。

1.1 龙卷风风场理论模型

龙卷风作为气流的特殊运动是一种涡旋和急流的叠加运动［4］，兰金复合涡(Rankine- Combined Vortex)作为二维定常轴对称涡，是一种在物理上更现实和更具普遍性的模型［5］。兰金(Rankine)在1882年提出了复合涡模型，他把流场分成两个区域。内部区域速度同半径成正比，外部区域同半径成反比。其表达式如下:

图1 龙卷风结构和风速分量示意图