考虑地形影响的台风混合气候极值风速分析方法研究

在台风混合风气候地区,不同类型风气候(如台风,良态风)的极值风速概率分布特性各不相同,如果直接采用单一概率分布模型对混合极值风速进行拟合,往往会造成较大的分析误差。目前国内外处理混合气候极值风速的常用方法也存在诸多问题,且均无法考虑复杂地形的影响,仅给出基于气象记录的极值风速统计。文章通过CFD数值计算建立气象站点和目标点之间的的风速比模型,获取目标位置的极值风速序列,再基于混合函数构建混合风气候地区极值风速的概率密度函数,采用加权最小二乘法拟合分布函数和混合权重函数的参数,最后对各参数进行优化并得到更为精确的极值风速结果。     

结合台风全路径模拟的宁波地区台风极值风速估计

运用台风全路径模拟技术和极值理论统计方法对宁波地区台风极值风速进行精确估计.首先,基于CMA-STI热带气旋最佳路径数据集并采用Vickery经验回归模型进行了西北太平洋海域台风全路径模拟,生成了600年台风路径及强度数据,采用Yan Meng风场模型确定了影响宁波地区的台风风速序列.然后,使用weibull分布函数描述了台风各风向下的极值风速边缘分布,并利用t-Copula函数构造各风向极值风速的联合分布模型,得到了台风考虑风向相关性的多风向极值风速估计值.最后,与台风不考虑风向相关性的极值风速以及规范设计风速对比,结果表明,宁波地区台风极值风速估计应考虑风向相关性,不考虑风向相关性的极值风速及规范设计风速都给出了偏风险的极值风速估计值.     

我国东南沿海城市和近海海域的台风极值风速预测

台风灾害严重影响我国东南沿海地区,通过开展台风数值模拟和极值风速预测,可精细化评估我国东南沿海城市和近海海域的台风危险性。采用基于随机森林模型的全路径台风模拟方法,对西北太平洋台风开展数值模拟,利用历史台风观测数据验证了该方法的可靠性与适用性。结合三维空间参数化台风风场模型,估算9个我国东南沿海城市不同重现期下的台风极值风速,发现广义极值分布(Ⅲ型)能更好地描述台风极值风速统计特征。将各城市的台风设计风速估算结果与GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中的推荐值及已有研究进行了比较,验证了台风模拟结果的可靠性,并发现低纬度城市的台风设计风速尚未超过规范中的推荐值,而高纬度城市的台风设计风速则略高于规范中的推荐值。基于台风全路径模拟和极值风速估算结果完成了我国东南沿海地区台风设计风速的区划图绘制,直观地反映了我国台湾岛及台湾东部海域的台风危险性最大,浙江东部、福建南部至广东一带以及海南岛南部等地区也面临较大的台风风险。     

我国东南沿海台风极值风速预测与区划图构建

中国沿海是全球受台风灾害最严重的区域之一,获取台风极值风速对指导沿海土木工程结构抗风设计、防灾减灾和风险评估至关重要,中国现有抗风设计体系未单独设定台风极值风荷载。文章提出基于地理加权回归的台风模拟方法,主要包括台风路径、强度和风场参数递推模型,基于日本气象局1951～2015年历史台风最佳路径数据,开了西北太平洋地区台风局部路径和全路径随机模拟,结合台风边界层三维风场模型,预测不同工程场地的极值风速,率先完整创建我国沿海区域台风极值风速区划图并讨论台风风灾空间分布特点;面向不同建筑结构设计需求,形成台风风灾曲线和极值风速剖面数据库,为沿海建筑结构抗台风设计提供极值风荷载输入条件,推进我国结构抗风理论体系从传统良态风向台风的跨越。     

基于短期观测记录的重现期风速预测

在偏僻地区或山区建设重要建筑物、构筑物或桥梁时,通常在附近安装风速观测仪器,获得至少1年的短期风速记录。提出了根据短期风速记录预测指定重现期风速极值及风压方法,为结构抗风设计提供了科学依据。提出独立风暴法提取短期风速记录的最大值,建立极值I型概率分布模型,采用最好线性无偏估计方法确定概率分布参数。依据短期风速最大值概率与年风速最大值概率的变换关系,建立年发生最大值的概率分布及重现期风速、风压的表达式。算例结果表明,重现期风速预测值的离散性与风速阈值有关,在预测值离散系数较小的情况下可确定重现期风速及其置信区间。     

关于风速概率分布的分析研究

极值风速的估计对于结构的抗风设计有着重要意义。本文简要介绍了目前极值风速估计中广泛应用的极值理论和四种概率模型极值Ⅰ型分布(Gumbel分布)、极值Ⅱ型分布(Frechet分布)、极值Ⅲ型分布(Reverse Weibull分布)以及广义极值分布。采用以上四种模型和不同的参数估计方法对澳门地区四个站台的风速数据进行拟合。最终结果显示四个站台的风速概率分布并不完全相同,但通过极值Ⅰ型分布进行拟合是可以接受的。同时鉴于风速统计分布的差异性较大,风荷载不宜给出一个统一固定的分项系数。     

基于泊松-耿贝尔法的最大风速估算

由于每年发生台风的次数、移动路径及强度都是随机的,构成了某种离散性分布,常规采用的极值Ⅰ型分布的耿贝尔法是收集每年的最大风速,这种方法无法收集到每一次台风影响的最大风速.文中采用泊松-耿贝尔联合极值风速计算方法,计算了重现期为5、10、20、50年的最大风速与基本风压.结果表明泊松-耿贝尔联合极值风速计算方法偏差比极值...     

动力敏感性结构风荷载全阶概率分析方法

高层建筑主体结构设计风荷载受来流风速的方向性影响较为明显,传统风荷载估算方法偏于保守。为此,提出一种考虑风向的风荷载全阶概率分析方法,基于可靠度理论将单风向的风荷载概率分布表达成风荷载效应系数极值和来流风速极值的概率分布函数。为了计入结构动力敏感性的影响,基于风洞试验获得的结构气动力数据,通过对结构动力响应分析,将风荷载效应系数极值的概率分布参数表达成来流风速的函数,进而结合各个风向的风荷载概率分布数据,给出了动力敏感性结构具有一定保证率的风荷载。最后,将所提方法的计算结果与蒙特卡洛模拟方法和传统方法的计算结果进行了详细对比。结果表明,本文方法计算结果与蒙特卡洛方法模拟结果吻合较好,传统的最不利荷载法和风向折减方法计算结果过于保守。     

基于Monte Carlo方法的极值风速估计误差分析及其应用

采用有限实测风速样本估计重现期极值风速存在较大不确定性。为此，针对目前应用最为广泛的极大似然法估计广义极值分布，提出了基于Monte Carlo方法的极值风速估计误差分析算法，建立了依赖概型参数、样本容量和重现期的极值风速标准差广义数学表达式。结果表明：标准差随形状参数、尺度参数和重现期的增大而增大；随样本容量的增大而减小。结合我国4个气象站点(北京、喀什、福州、上海)实测风速数据，在进行数据地形修正、台风数据剔除的基础上，分析计算了各站点的重现期极值风速及其标准差，并与既有规范对比，当考虑抽样误差对极值风速预测的影响时，建议以一倍标准差作为量化标准更为合理。     

台风作用下低矮房屋屋面角部峰值压力实测研究

通过研制的可移动平坡屋面实验房及台风测试系统,开展了近地登陆台风风场和房屋表面风压现场实测,主要研究近地边界层登陆台风风场特性和低矮房屋风效应。主要根据1003号"灿都"台风的实测风速和风压数据,研究近地台风风场湍流特征和屋面角部峰值负压。分析来流方向不同地貌状况和台风不同区域的近地10m高度的湍流度、阵风因子、湍流积分尺度等湍流特征参数;探讨实验房屋面角部区域风压分布特征和角部区域峰值压力时间和空间的平均效应。在斜向风作用下迎风屋檐角部边缘区域测点具有较大的峰值负压和脉动风压,实测最小峰值负压为-4240.0Pa,峰值负压系数最小值为-13.5,风压系数概率分布为非高斯分布。评估了来流不同湍流强度和湍流积分尺度对角部区域风压的影响。并运用非高斯峰值因子极值分析方法对角部区域峰值负压进行极值分析,最后将角部区域风压系数的实测值及极值分析值与现行ASCE 7-10规范规定值进行比较,现行ASCE 7-10规范相对低估其屋檐角部边缘区域的峰值负压系数。     

Wind characteristics of a strong typhoon

The wind characteristics of a strong typhoon (Typhoon Maemi 2003) are analyzed on the basis of 10 min wind speed samples. The wind speeds were measured simultaneously by nine vane and seven sonic anemometers at a height of about 15 m. Turbulence intensity and scale, gust factor, peak factor, decay factor of the coherence function, probability distribution function, power spectrum, and their variations with wind speed are obtained. Wind-direction-dependent analysis is conducted on the wind characteristics. Turbulence intensity decreases with wind speed and remain almost constant when the wind speed becomes high. The averaged values of gust factor and peak factor are 1.6 and 3.3, respectively. The spatial cross correlation and decay factor of the coherence function increase slightly with wind speed. The probability density function of fluctuating wind speed of a strong typhoon follows a Gaussian distribution, and the power spectrum of strong wind can be expressed by a Karman-type spectrum at the low frequency. The wind characteristics of this strong typhoon are shown to be very similar to those of non-typhoon winds.     

Reliability analysis of wind turbines under non‐Gaussian wind load

Based on translation models, both Gaussian and non‐Gaussian wind fields are generated using the harmony superposition method for examining the reliability of a typical wind turbine at operational and parked conditions. Using the blade aerodynamic model and multibody dynamics, wind turbine responses are calculated and then probability characteristics are analyzed in details. The short‐term extreme response distribution is estimated by the average conditional exceedance rate method at each mean wind speed bin, and the long‐term extreme response distribution is then determined by further integrating the short‐term extreme response distribution conditional on wind speed with the distribution of mean wind speed. Additionally, crack initiation life and crack propagation life are evaluated using the linear cumulative damage theory and linear crack propagation theory, respectively. The results indicate that non‐Gaussian characteristics of wind inflows have a noticeably greater influence on both extreme response and fatigue damage, and the Gaussian assumption cannot suit wind turbine in complex terrain.     

大跨度屋盖结构极值风压概率分布特征研究

对两类典型的大跨度屋盖结构形式（球面屋盖和柱面屋盖）分别进行了超过1 000次的重复采样风洞试验,基于所获得的大量极值风压样本,运用广义极值理论和极大似然估计方法系统分析了极值风压的概率分布特征。研究表明：广义极值分布是描述极值风压概率分布的理想模型,多数区域极值风压符合极值Ⅲ型分布,少数尾流区测点极值风压符合极值Ⅰ型和Ⅱ型分布,且极值Ⅱ型分布区域对应的极值风压离散性更强。利用概率分析方法对传统的极值风压估算方法,即峰值因子法的保证率进行了检验,结果表明：峰值因子法无法给出具有一致保证率的极值风压分布,且低估了极值Ⅱ型分布区的最不利负压,误差率在20%~30%之间;应用概率分析方法可以获得具有确定保证率的极值风压,进而从概率意义上对局部极值风压的取值进行合理评估。     

台风风场作用下体育场罩棚风压分布风洞试验研究

通过刚性模型测压风洞试验研究了台风风场高湍流、强变异性等特征对大跨结构风压分布特性的影响。以某体育场罩棚为原型制作1∶300刚性模型,进行了常规B类风场和台风风场作用下的测压对比试验。基于试验数据,从测点风压和总体升力角度对两类风场作用下体育场罩棚结构的风压分布总体特性进行了分析,重点比较了典型测点在典型风向角下的风压分布规律及相互关系。结果表明：两类风场作用下平均风压的分布规律基本类似,但各风向角下台风风场中的屋盖总体升力比B类风场增大8%~25%;台风风场的高湍流特性导致基于极值负风压求得的各风向角下屋盖总体升力比B类风场大27%~46%,各测点的极值风压均明显高于常规B类风场作用下的对应值,比值约为1.13~1.70,因此对于台风多发地区的大型体育场屋盖设计,必须考虑台风风场高湍流所致的脉动风压增大效应。     

近地台风风场特性及低矮房屋风荷载现场实测研究

通过研制的可移动平坡屋面实验房风压及台风风场现场实测系统,研究近地台风风场特性和低矮房屋表面风荷载分布规律。基于实验房获取到的10余次近地台风风速和风压实测数据,对近地台风风场湍流特征参数如湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度及脉动风速功率谱等,按来流不同方位地貌状况进行分类研究;同时分析了斜向强风最不利工况下,屋面角部区域风压分布特征。分析结果表明: A、B、C类地貌条件下,台风顺风向湍流强度均值分别为0.13, 0.21, 0.32;阵风因子同湍流强度正相关,湍流积分尺度随湍流强度增加而减少;与季风相比,台风眼壁区域的顺风向脉动风速功率谱密度值略大于季风的实测值,而横风向脉动风速功率谱密度值显著大于季风的实测值;在低频和惯性子区范围,台风眼壁区域的顺风向脉动风速von Karman和Harris谱拟合值与实测值吻合较好;在斜向风作用下迎风屋檐角部边缘测点区域具有较高峰值负压和脉动风压,峰值负压系数达-13.5。     

Prediction of typhoon design wind speed with cholesky decomposition method

Typhoon simulation method that integrates typhoon wind field model, probability distributions of typhoon key parameters, and Monte Carlo simulation method has long been used to predict typhoon design wind speeds of structures. In the research, the empirical typhoon wind field model with a novel parameter B model of Holland's radial pressure profile is first introduced and validated with typhoon Hagupit's simulation. The results show that relatively good typhoons can be simulated with this empirical typhoon wind field model. Then, the cholesky decomposition method used in typhoon simulation method is proposed that allows achieving all correlated typhoon key parameters simultaneously. Finally, the cholesky decomposition method is used to generating typhoon key parameters in Hong Kong, and typhoon design wind speeds for different return periods are predicted with typhoon simulation method. In addition, typhoon design wind speeds derived from historical typhoon key parameters and typhoon key parameters generated without considering cholesky decomposition method are also predicted, respectively. The predicted typhoon design wind speeds are compared and the results demonstrate that the cholesky decomposition method should be incorporated into typhoon simulation method.     

台风 “鲇鱼”作用下厦门沿海某超高层建筑风压特性的风洞试验与现场实测对比研究

为研究超高层建筑表面的风压特性,基于对厦门沿海某超高层建筑表面风压开展的现场实测和风洞模型试验,探讨了台风“鲇鱼”作用下超高层建筑表面的风压特性及其分布规律。研究结果表明：通过风洞试验和现场实测所揭示出的超高层建筑表面风压特性（平均风压系数、峰值风压系数）及其随风向角的变化规律基本一致;平均风压系数的现场实测与风洞试验结果在迎风面吻合较好,而背风面现场实测值明显较风洞试验结果小;峰值风压系数的现场实测与风洞试验结果除个别测点外相差较大。