熱帶風氣候條件下風荷載研究的風暴路徑法

于樹志 傅偉東

(汕頭大學土木工程系，廣東 汕頭 515063)

1 概述

風暴路徑法(Storm Passage Method)[1-3]是針對熱帶氣候條件(主要是臺風作用)下結構響應的計算方法，在溫帶氣候方法中沒有考慮一個特定風暴的風速和風向時程細節，對一個大尺度溫帶低壓系統引起的全局風來說這些信息通常是不需要的，但是在評估熱帶風暴和其他一些小尺度風暴時，其風速和風向隨時間變化則需要考慮，并且每個臺風經過時引起的結構風荷載和響應并不是平穩隨機過程，需要模擬未來影響該建筑物所有可能的臺風。

2 熱帶風氣候條件下的風暴路徑法

風暴路徑法首先需要用蒙特卡洛法模擬將來可能發生的數千個臺風，然后結合風洞試驗數據進行建筑風荷載和響應極值的預測，其過程如下：

1)用蒙特卡洛法模擬建筑物所在地區將來可能發生的幾千個臺風歷經的路徑，得到每個臺風引起的建筑物位置處小時平均風速和風向結果。

用蒙特卡洛法模擬臺風的方法有很多[4-12]，Yan Meng等[13,14]把風速看作是梯度風速和邊界層內衰減風速的和，將NS方程拆分為梯度層和邊界層內對應的平衡微分方程，通過攝動法分別求得微分方程的數值解。Yan Meng風場模型可以用于求解移動臺風風場中不同的高度和剖面風速的變化規律，同時也引入各風向等效粗糙長度以考慮目標地點周邊地形對臺風風速的影響。圖1給出了該方法中臺風數值模擬的全過程，首先以目標地點為圓心做半徑為500 km圓，其次根據氣象資料統計以往臺風離目標點的距離Dmin、中心壓差Δp、移動方向θ、移動速度c、最大風速半徑R等關鍵參數的分布；再次根據臺風模型和關鍵參數模擬臺風；最后，獲得目標地點的平均風速和風向隨時間的變化。

2)在風洞中模擬臺風風場。

用蒙特卡洛法進行臺風模擬獲得的每小時平均的風速排除風中固有湍流引起的脈動成分，湍流的影響反映在氣動力數據中，該氣動力數據通過風洞試驗獲得。在模擬的大氣邊界層中，臺風的平均風速剖面是非常重要的一個物理量，遠離臺風風眼處的風剖面可以用一般的大氣邊界層風剖面表示，一些文獻指出臺風具有較高的湍流強度。但由于很少成功實測到臺風風眼墻附近的數據，對其還缺乏認識。圖2表示了風眼墻和臺風外圍的風剖面特征，如平均風剖面隨著高度的增加而增加，在一定的高度處達到最大值，然后風速隨著高度減小，直到幾千米的高度[16]。

文獻[17]比較了臺風的脈動風譜和季風的脈動風譜，如圖3所示，結果表明兩者并沒有很大的不同。

3)每個臺風經過時結構響應的最大值。

結合用蒙特卡洛法模擬的臺風經過建筑物時的平均風速和風向及風洞試驗數據，計算每個臺風經過時第k個時間步結構峰值的風振響應，表示為xpeak,j,k，其中j為第j個臺風；k為第k個時間步，其最大風振響應為：

(1)

4)第j個臺風經過時響應的最大值xmax,j服從Poisson分布，從而可以求得不同重現期對應的最大響應。

5)由最大風振響應可以用GLF及IWL法計算等效靜力風荷載；在用Chen和Kareem的方法以及平均風荷載+背景等效風荷載+共振等效風荷載的方法計算臺風引起的等效靜力風荷載時，假設每小時的風荷載是平穩過程求得每個臺風經過時的等效靜力風荷載。以各個方向結構頂部最大位移為等效目標的靜力風荷載可能發生在不同的臺風作用下，如何組合各個方向對應的等效靜力風荷載是值得研究的一個內容。

3 結語

詳細的介紹了熱帶風氣候條件下考慮風向角影響的風暴路徑法這一高層建筑抗風設計方法，并且指出了當前還需繼續研究的問題：在風暴路徑方法中，以各個方向結構頂部最大位移為等效目標的靜力風荷載可能發生在不同的臺風作用下，如何組合各個方向對應的等效靜力風荷載是值得研究的一個內容。