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。     

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.     

基于强台风“黑格比”的台风工程模型场参数在中国南部沿海适用性研究EI北大核心CSCD

针对台风风场解析模型中两个关键参数,即最大风速半径Rmax和径向气压分布系数β,进行了既有多种实测统计函数关系的比较。以强台风＂黑格比＂（Hagupit 0814）为例,结合其路径观测信息和逐时中心气压数据,对比了台风发展、加强、消散过程中不同计算方法获得的风场参数取值变化特征,总结了不同观测地域拟合的风场参数统计关系所反映的台风风场特征差异性。选取两处台风＂黑格比＂中心对穿观测站点的实测数据,结合基于实测风场参数优化的台风风场解析模型,采用多种Rmax和β实测组合关系,再现了台风黑格比风速过程随时间演变规律,并与实测结果进行综合比对,推荐了适用于我国南部沿海台风风场数值模拟的Rmax和β组合关系。     

基于强台风“黑格比”的台风工程模型场参数在中国南部沿海适用性研究

针对台风风场解析模型中两个关键参数,即最大风速半径Rmax和径向气压分布系数β,进行了既有多种实测统计函数关系的比较。以强台风"黑格比"(Hagupit 0814)为例,结合其路径观测信息和逐时中心气压数据,对比了台风发展、加强、消散过程中不同计算方法获得的风场参数取值变化特征,总结了不同观测地域拟合的风场参数统计关系所反映的台风风场特征差异性。选取两处台风"黑格比"中心对穿观测站点的实测数据,结合基于实测风场参数优化的台风风场解析模型,采用多种Rmax和β实测组合关系,再现了台风黑格比风速过程随时间演变规律,并与实测结果进行综合比对,推荐了适用于我国南部沿海台风风场数值模拟的Rmax和β组合关系。     

基于多场参数相关台风工程模型的上海地区台风设计风环境研究

结合台风在我国沿海登陆过程风场参数实测数据拟合模型,拟合参数包括台风几何尺度场(最大风速半径Rmax)和气压分布场(径向气压系数β)等,提出了适用于我国东南沿海区域的考虑多个场参数之间相关性的台风风场改进数值模型。以上海市崇明岛侯家镇气象站1971—2015年间57次台风全过程连续实测记录为参考依据,通过对比台风最大风速的模拟与实测结果,优化了气象站场地地表粗糙高度z0=0.095 m,并结合台风路径历史观测资料和场参数之间概率相关性的实测拟合关系,利用台风工程模型再现了气象站四次典型较强台风风速发展过程,最大风速的相对误差在12%以内,证明了模型应用于台风最大风速预测的可靠性。采用Monte-Carlo台风随机模拟方法和抽样越界峰值法,计算了台风气候模式侯家镇和以上海为代表中心区域典型工程场地的设计基本风速和平均风剖面,获得侯家镇和上海B类场地(z0=0.05 m)百年一遇10 m高度10 min平均风速分别为31.51 m/s和37.46 m/s,标准差为2.05 m/s和2.66 m/s,同时比较了三种不同风剖面拟合模型,给出了四类典型地貌下台风气候风剖面拟合关系。     

基于实测数据的香港K11大楼台风风场模拟与风振分析

在香港K11大楼顶层布置了加速度传感器和风速仪,实时监测大楼周边风场及其风致振动。风场数值模拟以顶层实测台风风速数据为基础,结合台风经过时的风速剖面与湍流强度剖面,采用谐波叠加法模拟得到了该高层建筑16个代表楼层处较为真实的台风风场风速时程。分别采用基于数值风场数据的时域法和基于风洞试验数据的频域法对其进行了风振分析。结果表明:与频域法相比,时域法得到的结构风振加速度响应极值、均方根和功率谱密度均与实测结果更为接近。     

风力发电机台风荷载响应分析

首先考察了台风风场特征参数,包括物理参数、极值风速、风剖面、湍流强度、湍流积分尺度和脉动风速功率谱,在基于台风特征参数的基础上,结合环太平洋地区主要国家现行风荷载规范进行台风荷载频域计算,建立风力发电机有限元模型并进行台风荷载响应分析。结果表明,美国规范计算的结构响应值最大,中国规范次之,澳大利亚规范最小,且三者均大约为《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)计算值的1.8倍;对于风电塔这种塔顶处机舱和叶片质量占总体结构比重大的特殊结构,利用规范进行频域分析得到的风荷载进行抗台风设计和验算偏于不安全,建议采用基于台风特征参数的时域分析来构造台风荷载。     

建筑结构抗风基本理论研究

风灾在中国屡见不鲜,其产生的影响对人类的生存和发展存在巨大的影响,特别是我国临海地区,比如福建、海南、广东等地,台风造成的经济损失严重。从对建筑的影响出发,风灾主要体现在对于建筑结构发生部分损坏或整体倒塌,特别针对现在高层建筑不断涌现增加,对于抗风设计的研究是十分必要的,首先强调风对建筑物的作用及其危害,随后对抗风理论进行研究分析。     

华南沿海地区台风风场数值模拟与危险性分析

利用台风关键参数的概率分布模型,建立了台风年极值风速概率分布模型,对华南沿海地区不同重现期内的台风极值风速做出推断,为该地区建筑设计及城市防灾减灾提供了风荷载信息,以确保建筑结构在台风侵袭下的安全性。     

考虑气候变化影响的台风设计风速研究

采用了一种统计确定性模型结合4种不同的全球气候预测模型考察了气候变化对台风设计风速的影响,该方法以给定的气候环境条件为驱动采用统计模型生成大量的数值台风,因而可以模拟历史和未来预测气候条件下台风的发生情况。以杭州地区为例阐述了气候变化影响下设计台风风速从20世纪末到21世纪中叶的演化情况。研究结果显示:基于历史重分析气象条件模拟到的不同重现期台风设计风速与历史观测数据的分析结果吻合较好,表明该统计模型具有可靠性。大部分的气候模型预测显示杭州地区21世纪中叶的设计台风风速将可能超过20世纪末,且100年重现期下的设计台风风速随时间呈现增长趋势。因此在抗风设计中有必要考虑气候变化对设计风速所造成的影响。     

考虑台风持时效应的低矮房屋围护结构风灾损失分析

低矮房屋围护结构在台风中往往破坏严重,有效预测台风周期内低矮房屋围护结构的风致损失具有重要意义。文章基于风洞试验数据,围绕台风持时低矮房屋围护结构风灾损失分析方法开展研究。首先阐述台风周期内低矮房屋的风致破坏过程,回顾现有考虑台风持时效应的风灾损失一般分析方法;在此基础上,通过对风灾损失的逐步分析法中模拟策略进行改进,提出考虑台风持时效应的低矮房屋围护结构风灾损失估计高效分析方法;其中,采用半经验公式估计非高斯风压极值分布,并基于Nataf变换建立风压的多元极值联合概率模型;结合台风实测数据,对方法进行演示。研究发现,低矮房屋围护结构在台风中的破坏随着时间推移逐渐累积,考虑台风的持时效应十分必要;使用该方法可以有效地考虑围护构件荷载的非高斯性、随机性以及空间相关性等影响因素,且计算效率大幅提升。     

群体风效应下高层建筑等效风荷载及舒适度分析

基于某复杂群体高层建筑项目风洞试验结果,采用覆面积分计算方法,对该项目最高塔楼进行了风荷载及风振响应分析,结构由于受到周围建筑的干扰影响,其实际风荷载与规范估算结果差异较大,计算还分析了不同风向下结构的等效基底倾覆力矩及其顶部峰值加速度,其结果可用于此结构的抗风设计。     

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。     

佛山地区考虑风向影响的基本风速统计分析

基于南海气象站的气象资料,首先对三种极值分布的参数进行估计,并对三种极值分布进行线性相关性检验,得出南海气象站风速极值分布更接近Weibull分布;其次对Weibull分布参数的谐波函数拟合曲线,得到任意风向角下的分布参数;最后分析各风向角下的基本风速;所得到的结果可为建筑结构抗风设计提供参考.     

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。     

台风 “鲇鱼”作用下厦门沿海某超高层建筑的风场和风压特性实测研究

为研究我国沿海地区超高层建筑的风场和风压特性,在2010年台风“鲇鱼”登陆前后对厦门沿海某超高层建筑的风场和建筑表面风压进行了同步监测。通过对实测风场和风压数据的深入分析表明：沿海地区超高层建筑风场的湍流度随风速增大变化平稳,阵风因子随湍流度的增大而增大;实测脉动风速功率谱密度与von Karman谱吻合较好;建筑各面内测点之间的瞬时风压、平均风压、平均风压系数和极值风压系数具有较强的相关性;实测平均风压和平均风压系数在迎风面较大,在背风面非常小;当风从角部吹向建筑时,随着风向角的变化,两迎风面的平均风压系数随着平均风速的增大变化规律相反;两背风面的平均风压系数随着平均风速的增大逐渐减小;迎风面的极值风压系数随着风向角的变化正负波动较大,背风面的极值风压系数分布较为均匀;迎风面的脉动风压系数较大且变化较大,背风面的脉动风压系数非常小且变化平稳;建筑各面的极值风压系数和脉动风压系数的幅值随着风速的增大逐渐减小。     

Monitoring wind effects of a landfall typhoon on a 600 m high skyscraper

This article presents the observations of the atmospheric boundary layer (ABL) and wind effects on a 600 m high skyscraper during a landfall typhoon. Wind structure and characteristics throughout the entire ABL are presented and discussed based on records from a Doppler radar wind profiler and near-ground measurements at several meteorological stations. Wind speed profiles with the feature of low-level jets and radial-distance and exposure dependences of gradient height are stressed. Afterwards, wind-induced pressures on building surfaces of the skyscraper are investigated with highlights on non-Gaussian probability distributions of negative pressures and vortex shedding occurred alternately at two sides of the building. The structural responses measured by both accelerometers and strain gauges are analyzed subsequently. Modal parameters of the skyscraper and their dependence on response amplitude are presented and discussed. This study aims to provide useful information for the wind-resistant design of skyscrapers in tropic cyclone-prone regions.     

广州西塔风荷载研究

广州西塔是广州双塔的西塔楼,目前为华南地区第一高楼,高宽比超过6.5,主塔楼结构采用钢管混凝土斜交网格外筒+钢筋混凝土内筒的筒中筒体系。由于广州为台风多发地区,风荷载为其结构设计的控制荷载,故对其抗风设计进行了详尽的介绍。通过风气候分析确定了区域风况和设计风参数,以及与风响应有关的结构参数,并通过模型风洞试验确定了大楼的等效风荷载取值,并对大楼舒适度进行了判别。