龍卷風作用及核電站結構極端風荷載相關問題研究綜述

張文娜　錢江

摘要：在結構荷載規(guī)范中一般均不考慮龍卷風荷載，但對于某些設防要求極高的重要工程設施，如核電站，則需要考慮可能的龍卷風荷載作用。從龍卷風風場理論模型的研究發(fā)展入手，對直接風壓荷載的確定、風致飛射物間接作用以及特種工程結構一核電站抗龍卷風設計的研究現(xiàn)狀進行了歸納總結，指出了龍卷風直接風壓計算中考慮軸吸力作用、風場平移運動及風致扭轉作用的必要性以及飛射物沖擊作用應區(qū)別彈體相對剛度及端部形態(tài)對作用效果的影響。

關鍵詞：龍卷風荷載；風致飛射物；沖擊響應；抗龍卷風設計

中圖分類號：TU312.1

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2016）06-0121-08

龍卷風是由大氣劇烈對流產生的一種高速旋轉的移動風暴，它作用范圍小，生消快，其發(fā)生時間和位置難以確定，風速極高，破壞力巨大，龍卷風經過之處會對影響范圍內的建筑物造成極其嚴重的破壞。在任何一個地方，龍卷風的發(fā)生概率遠低于其他極端風，通常認為抗龍卷風設計的結構成本遠遠高于龍卷風襲擊危害有關的期望損失，因此，在各國的建筑規(guī)范中一般不考慮龍卷風荷載，但是對于重要生命線工程，如核電站設計，需要進行抗龍卷風設計。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)也是龍卷風和臺風等極端風易發(fā)地區(qū)，一旦發(fā)生核電站事故往往造成巨大的生命和財產損失，因此，對于核電站抗龍卷風設計研究至關重要。

對于龍卷風的研究可以追溯到19世紀末，早期的研究主要側重于龍卷風氣象研究和龍卷風產生的破壞。之后，學者們從理論上、現(xiàn)場實測、實驗和數值模擬等方面對龍卷風進行了深入的研究分析。龍卷風風場模型是確定風荷載的基礎，風致荷載主要包括以下3個方面：氣流直接作用在結構上引起的風壓；龍卷風掠過結構物時大氣壓力場變化引起的壓力；龍卷風飛擲物引起的沖擊力。

1.龍卷風理論模型研究

龍卷風的成因比較復雜，而一旦形成后，其形態(tài)與運動是致災的關鍵。在結構抗龍卷風設計中，首先需要解決的問題是確定龍卷風荷載，因此，需要了解龍卷風風場及龍卷風理論模型。自19世紀末起，提出過多種龍卷風的理論模型，比較有代表性的是：Rankine二維渦模型、Wen三維半經驗模型以及Burgers-Rott三維渦模型。由龍卷風理論模型給出的風速分布，進而確定風壓力。

1.1二維Rankine渦模型

在龍卷風研究的初期，有學者發(fā)現(xiàn)龍卷風運動規(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，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。

Hoecker研究發(fā)現(xiàn)龍卷風333m高度處的運動與Rankine渦旋較為接近。Sun等以Navier-Stokes方程和Hoecker提出的旋轉風方程等為基礎進行理論推導，提出了適用于核電站風荷載計算的龍卷風通用簡化模型，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龍卷風風場的一般特性，因此，學者在研究龍卷風荷載時風速一般采用二維Rankine渦模型。目前有關對龍卷風荷載的規(guī)定大多是采用二維Rankine模型表示龍卷風風速分布。盡管Rankine渦模型已經廣泛的應用在龍卷風研究中，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風場是不符的。

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

另一種三維龍卷風模型基于Burgers渦旋流，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。Rott在Burgers渦旋流的理論基礎上考慮科里奧利的柱坐標方程提出了Burgers-Rott渦旋。實際龍卷風除保持渦旋運動外，在前進方向是一種具有梯度風特性的平移運動。然而，學者們在研究龍卷風對結構的作用時鮮有考慮龍卷風的平移運動。因此，甘文舉等運用Burgers渦運動理論及平移風速梯度理論建立了渦旋及平移運動合成下的準定常三維龍卷風模型。Burgers渦的不足之處是假定軸向速度只是z坐標的函數，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，多年來學者們對龍卷風理論模型進行了大量的研究并取得一系列成果，成為研究結構抗龍卷風設計的理論基礎。但是，實際的龍卷風風場是非常復雜的，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風場均存在一定的差異。對于龍卷風理論模型仍有待進一步完善與驗證，特別是龍卷風風場的實測驗證。

2.龍卷風作用及風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)風場對結構的作用，龍卷風由于其發(fā)生概率極低、設防成本過高，并未納入設計荷載考慮范圍。但對于一些特殊結構、特定的地域，如核電站設施，龍卷風可能導致嚴重后果，是結構設計中必須考慮應對的。龍卷風對于土建結構的危害通常由風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構所建立起來的風壓，相對大氣壓快速改變引起的負壓，龍卷風飛射物所引起的沖擊。

2.1龍卷風荷載

Simiu等較為系統(tǒng)的闡述了龍卷風對結構的影響，采用二維Rankine渦為理論模型獲得龍卷風風速分布，給出了龍卷風風壓和降壓差計算方法，對龍卷風飛射物沖擊荷載進行了討論，同時，考慮了龍卷風的區(qū)域分布特點，將全美國劃分為3個龍卷風強度區(qū)，并給出了各個龍卷風強度區(qū)的龍卷風最大風速，旋轉風速，移動速度和最大旋轉風速半徑等參數值。為此后的結構抗龍卷風設計奠定了基礎。

風災統(tǒng)計表明：龍卷風作用與建筑結構位置、地面粗糙及龍卷風平移速度均有關。Zhang等利用PIV技術觀測實驗模擬的微小尺度龍卷風流場，研究分析了地面粗糙度對龍卷風漩渦的影響及其速度分布，結果表明，地面粗糙度對龍卷風速度和湍流特性有重要影響。Sengupta等對建筑在微風暴和龍卷風作用下的瞬時加載進行了研究，發(fā)現(xiàn)微風暴的峰值取決于平移速度，高的微風暴平移速度下阻力系數峰值單調增加；F2級龍卷風作用下的峰值超出美國荷載規(guī)范規(guī)定值的1.5倍。Yang等對龍卷風作用下高層建筑進行了實驗研究，結果表明漩渦的演變和湍流結構以及引起的大風明顯不同于傳統(tǒng)直線大風。Natarajan等研究了建筑位置、地面粗糙度和平移速度對龍卷風漩渦及建筑物表面壓力的影響。Rajasekharan等研究了地面粗糙度對暴露在龍卷風作用下建筑物內部壓力的影響，結果表明：地面粗糙度增高，建筑物外部和內部壓力系數都將增大，且外部壓力系數增大幅度較內部壓力系數大。

中國對龍卷風荷載研究起步較晚，夏祖諷1987年為應對秦山核電廠核安全結構抗龍卷風設計的需求，編制了秦山核電站廠核安全結構龍卷風荷載設計標準。在此基礎上，于1989年形成了《三十萬千瓦壓水堆核電廠安全重要土建結構抗龍卷風設計規(guī)定（EJ420-89）》，該規(guī)定對抗龍卷風設計進行了較系統(tǒng)的闡述。并成為之后涉核工程結構抗龍卷風設計的參考依據。甘文舉等應用Rankine渦運動理論，結合中國的龍卷風災害探討了氣流速度和壓力沿平面的分布規(guī)律，對建筑物風壓力、風吸力、扭轉的實用計算進行了探討。其后，進一步研究了龍卷風近地移動梯度對低層房屋風場影響，探討了考慮近地平移風剖面分布下的風場規(guī)律及其對低層房屋的作用特點。劉偉等對房屋進行漏斗結構平移模型下的龍卷風荷載分析，得出龍卷風吸力的大小隨龍卷風的高度而變化，對低矮房屋的作用力最大。白俊峰等進行龍卷風作用下空問桁架的受力分析，結合實例建立龍卷風的風場數值模型，提出在龍卷風作用下桁架結構的荷載處理方法和加載方法。湯卓等在綜合分析了龍卷風襲擊建筑物時高速風沖擊作用和突然氣壓降作用的基礎上，提出了封閉結構龍卷風荷載的計算方法。采用計算流體動力學（CFD）方法對某大跨穹頂結構周圍風場進行數值模擬，得到了結構的壓力系數以及該結構的龍卷風荷載時程，利用時程分析方法對結構進行龍卷風作用下的風致動力響應分析，得到了結構在龍卷風作用下的位移時程。其后對龍卷風作用下雙坡屋面風壓分布進行了試驗研究，獲得了屋面風荷載的分布規(guī)律。

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

2.2風致飛射物研究

龍卷風對結構的破壞作用除了直接產生的風壓外，風致飛射物對結構的沖擊破壞也是不可忽視的。早期的研究內容主要關注風致飛射物的沖擊速度、沖擊力曲線以及沖擊軌跡等。Lee對龍卷風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飛射物速度的程序。Simiu等針對核電站抗龍卷風設計需求，對龍卷風飛射物的速度分布給出了評估。在核電站設計中，通常認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對龍卷風飛射物沖擊荷載及加載時問進行了研究，提出一種確定飛射物與目標面之問的接觸力的方法，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，兩者的結果吻合較好，此種計算方法已經很有效的應用在侵徹計算中。Stephenson等對龍卷風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，獲得的數據可以直接用于結構設計和檢驗。Twisdale等對龍卷風飛射物的運動軌跡進行了分析，提出一種可以模擬龍卷風飛射物的初始釋放和后續(xù)運動的方法。Dun等采用一種合成的風場模型研究了龍卷風飛射物的運動軌跡，研究表明采用此模型可以統(tǒng)計分析獲得龍卷風飛射物的速度。McDonald等對常用建筑材料在龍卷風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等對車輛在龍卷風中的行為進行研究，通過現(xiàn)場調查并依據龍卷風過后建筑物的破壞來評估車輛在龍卷風中的行為。Wills等根據風致飛射物的幾何形狀及空氣動力學的性質將風致飛射物大致分為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果為標準的制定提供了最直接的依據。

Maruyama對在龍卷風漩渦下的飛行碎片進行了數值模擬分析，給出三維飛射物運動軌跡和最大水平速度的統(tǒng)計值。唐飛燕等研究了龍卷風場中沙粒對結構的沖擊作用，指出龍卷風中沙粒對結構的作用不可忽視。Zhou等對由碳纖維加強混合聚合物一基體復合材料保護的新型風暴安全房屋系統(tǒng)進行了龍卷風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暴安全房屋系統(tǒng)能夠更好地抵抗龍卷風飛射物的沖擊。Li等對龍卷風飛射物作用下的管道設計進行了研究，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，風速超過34m/s時就有可能在風場內物體或建筑物結構中誘生飛射物，大多龍卷風都會產生飛射物并可能造成結構的破壞。常規(guī)結構設計由于設防成本并不考慮龍卷風的影響，但是對于重要的工程結構，如核電站，由于安全原因需要考慮抗龍卷風設計?，F(xiàn)行的核電站抗龍卷風設計一般由龍卷風飛射物速度設計譜確定飛射物的沖擊性能。美國核標準RGI.76規(guī)則中給出了龍卷風飛射物速度設計譜。中國規(guī)范要求：核電廠在建設的早期階段廠址選擇的調研中，需考慮飛射物對核電站可能的影響；對于飛射物的質量、速度、形狀、尺寸、材料、結構特點、沖擊角度等參數需要詳細的調查。EJ420-89核標準給出了核電廠龍卷風飛射物的設計譜。1991年中國核安全局批準發(fā)布的《核電廠廠址選擇的極端氣象條件》（HADl01/10）給出風致飛射物的暫行規(guī)定：1800kg重的汽車，125kg重的20cm穿甲炮彈，2.5cm實心鋼球；飛射物的碰撞速度取設計基準龍卷風最大水平風速的35%。

這些規(guī)定明顯過于粗糙，依據也并不充分：核標準中僅給出3種較為單一的鈍體飛射物，而實際龍卷風產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，至少應該區(qū)分鈍體和尖銳飛射物的不同。

2.3核電站結構抗龍卷風設計方法

目前，荷載規(guī)范均不涉及結構抗龍卷風設計，但在核電站設計中，都列入了抗龍卷風設計的相關要求，一般采用如下步驟：

1）確定結構所在區(qū)域龍卷風設計基準。收集區(qū)域內龍卷風的歷史資料并分析龍卷風的時空分布特征，根據核標準中相關方法計算得出區(qū)域龍卷風設計基準參數，包括龍卷風等級、最大旋轉風速半徑以及設計基準風速等參數。

2）確定龍卷風風壓。采用調研獲得的龍卷風設計基準風速等參數，根據有關核標準計算龍卷風風壓。各國的計算方法具體雖有不同，但其思路都是以常規(guī)風荷載風壓計算方法為基礎修改相應參數來獲取風卷風風壓。采用二維Rankine渦確定龍卷風風速分布、風壓計算時假設風速與相應的風壓不隨離地面的高度變化。

中國EJ420-89標準中給出的建筑物表面龍卷風荷載計算公式如式（5）。

W_w=K₁·K₂·W_o

式中：Wo是設計基準龍卷風的風壓，基本風壓公式通過伯努利方程推導，適用條件是不可壓縮氣體，當風速不大于102m/s時，此假設是成立的。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。對于龍卷風而言，陣風系數和風壓高度變化系數可以假定為1。K₁是尺寸系數，設計風速由最大風速決定，為了得出設計所需要的平均壓力，在結構的風載考慮中可計人小于1的結構尺寸系數，以適當考慮實際龍卷風風壓分布的不均勻性。K₂是風荷載體型系數，由于龍卷風的旋轉風速的分布近似地為Rankine漩渦所控制，風載的結構體型系數可參考常規(guī)風荷載規(guī)范。

3）確定龍卷風降壓差。美國和中國核標準都是以Wen龍卷風半經驗理論模型為基礎，獲得龍卷風降壓差。EJ420-89標準中采用一個近似為梯形的階梯函數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。根據確定的龍卷風設計基準參數，參照相關核標準飛射物設計速度譜，確定飛射物的材質、形狀、質量、速度等參數。

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構上進行結構驗算。

以上基于靜態(tài)計算的抗龍卷風設計方法，雖然具有簡便、實用的特點，但在合理、準確性方面仍存在明顯不足：依據二維Rankine渦確定龍卷風荷載，無法考慮龍卷風軸向運動產生的軸吸力作用，而龍卷風產生的軸向吸力往往對房屋屋頂造成嚴重的破壞；沒有考慮龍卷風的平移運動和風致扭轉作用對結構的作用，龍卷風的平移運動會增強風吸力作用，而風致扭轉效應也是導致房屋產生破壞的重要因素；龍卷風風場是非常復雜的渦旋，龍卷風降壓差與常規(guī)風降壓差有所不同，采用近似為梯形的階梯函數來考慮龍卷風降壓差是否準確需要進一步驗證；采用基于靜態(tài)計算的方法不能正確反映風致飛射物沖擊作用的短時瞬變特性和響應局部化特征。3核電站結構抗龍卷風研究存在的問題與發(fā)展趨勢

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

1）盡管學者們對于龍卷風風場的研究投入了大量的精力，但是由于龍卷風的作用范圍小，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，已有的各類龍卷風風場理論模型也都需要進一步的驗證與完善。

2）現(xiàn)行龍卷風風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)實中的龍卷風運動不符，因此，無法考慮龍卷風產生的軸向吸力，而龍卷風吸力可能對結構造成嚴重的破壞，尤其底層房屋屋頂可能因為龍卷風吸力而被掀翻。其次，龍卷風風壓是在常規(guī)風荷載基礎上加以修正而獲得，體型系數、尺寸系數等修正參數有待精確。結構抗龍卷風設計并未考慮龍卷風運動的移動性和運動過程產生的扭轉運動，這些方面仍需深入研究。

3）結構因風致飛射物的損害是一系列隨機事件，且飛射物進入風場的方式也不同，這造成確定風致飛射物的沖擊性能上的困難。故而工程上采用標準的龍卷風設計譜確定風致飛射物的沖擊性能。然而設計譜中的風致飛射物種類有限，并不能全面覆蓋龍卷風運動過程中可能發(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2.5cm實心鋼球3類飛射物的設計譜，而現(xiàn)實龍卷風可能產生角鋼、鋼板及建筑受龍卷風襲擊自身產生的飛射物等。角鋼等尖銳飛射物對結構的沖擊性能是否可以參照設計譜給出的數據設計是個開放性問題；不同種類飛射物對結構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致飛射物的沖擊性能研究還有待完善。

4）目前對于風致飛射物的研究主要集中在飛射物性能和其對結構構件的沖擊影響研究，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，這方面有待擴展。

5）現(xiàn)行規(guī)范對風致飛射物的沖擊荷載設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構進行分析，該分析方法存在計算不夠準確、不能正確反應結構破壞的局部效應等問題。飛射物的形狀、飛射角度、飛射物材質剛度等因素都可能影響結構破壞的局部效應，而采用擬靜力方法無法體現(xiàn)其影響結果?，F(xiàn)行抗龍卷風設計中采用公式估算飛射物侵徹深度來考慮結構防止飛射物穿透，驗算可靠性有待研究。因此，對于采用風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致飛射物沖擊結構的動力響應分析值得研究。