龙卷风作用及核电站结构极端风荷载相关问题研究综述

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區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：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

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[1]。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[2]，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[3]：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BurgersRott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[4]。

Vr=rRVR（0≤r≤R）

RrVR（R≤r≤∞）（1）

式中：Vr是距涡旋中心为r处的切向风速，VR是Rankine涡旋的最大切向风速，R是最大切向风速对应的旋转半径，r是风场中任一点距龙卷风中心的距离。

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