于樹志 傅偉東

(汕頭大學(xué)土木工程系，廣東 汕頭 515063)

1 概述

風(fēng)暴路徑法(Storm Passage Method)[1-3]是針對(duì)熱帶氣候條件(主要是臺(tái)風(fēng)作用)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的計(jì)算方法，在溫帶氣候方法中沒有考慮一個(gè)特定風(fēng)暴的風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)程細(xì)節(jié)，對(duì)一個(gè)大尺度溫帶低壓系統(tǒng)引起的全局風(fēng)來說這些信息通常是不需要的，但是在評(píng)估熱帶風(fēng)暴和其他一些小尺度風(fēng)暴時(shí)，其風(fēng)速和風(fēng)向隨時(shí)間變化則需要考慮，并且每個(gè)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過時(shí)引起的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和響應(yīng)并不是平穩(wěn)隨機(jī)過程，需要模擬未來影響該建筑物所有可能的臺(tái)風(fēng)。

2 熱帶風(fēng)氣候條件下的風(fēng)暴路徑法

風(fēng)暴路徑法首先需要用蒙特卡洛法模擬將來可能發(fā)生的數(shù)千個(gè)臺(tái)風(fēng)，然后結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑風(fēng)荷載和響應(yīng)極值的預(yù)測(cè)，其過程如下：

1)用蒙特卡洛法模擬建筑物所在地區(qū)將來可能發(fā)生的幾千個(gè)臺(tái)風(fēng)歷經(jīng)的路徑，得到每個(gè)臺(tái)風(fēng)引起的建筑物位置處小時(shí)平均風(fēng)速和風(fēng)向結(jié)果。

用蒙特卡洛法模擬臺(tái)風(fēng)的方法有很多[4-12]，Yan Meng等[13,14]把風(fēng)速看作是梯度風(fēng)速和邊界層內(nèi)衰減風(fēng)速的和，將NS方程拆分為梯度層和邊界層內(nèi)對(duì)應(yīng)的平衡微分方程，通過攝動(dòng)法分別求得微分方程的數(shù)值解。Yan Meng風(fēng)場(chǎng)模型可以用于求解移動(dòng)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)中不同的高度和剖面風(fēng)速的變化規(guī)律，同時(shí)也引入各風(fēng)向等效粗糙長(zhǎng)度以考慮目標(biāo)地點(diǎn)周邊地形對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的影響。圖1給出了該方法中臺(tái)風(fēng)數(shù)值模擬的全過程，首先以目標(biāo)地點(diǎn)為圓心做半徑為500 km圓，其次根據(jù)氣象資料統(tǒng)計(jì)以往臺(tái)風(fēng)離目標(biāo)點(diǎn)的距離Dmin、中心壓差Δp、移動(dòng)方向θ、移動(dòng)速度c、最大風(fēng)速半徑R等關(guān)鍵參數(shù)的分布；再次根據(jù)臺(tái)風(fēng)模型和關(guān)鍵參數(shù)模擬臺(tái)風(fēng)；最后，獲得目標(biāo)地點(diǎn)的平均風(fēng)速和風(fēng)向隨時(shí)間的變化。

2)在風(fēng)洞中模擬臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)。

用蒙特卡洛法進(jìn)行臺(tái)風(fēng)模擬獲得的每小時(shí)平均的風(fēng)速排除風(fēng)中固有湍流引起的脈動(dòng)成分，湍流的影響反映在氣動(dòng)力數(shù)據(jù)中，該氣動(dòng)力數(shù)據(jù)通過風(fēng)洞試驗(yàn)獲得。在模擬的大氣邊界層中，臺(tái)風(fēng)的平均風(fēng)速剖面是非常重要的一個(gè)物理量，遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼處的風(fēng)剖面可以用一般的大氣邊界層風(fēng)剖面表示，一些文獻(xiàn)指出臺(tái)風(fēng)具有較高的湍流強(qiáng)度。但由于很少成功實(shí)測(cè)到臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼墻附近的數(shù)據(jù)，對(duì)其還缺乏認(rèn)識(shí)。圖2表示了風(fēng)眼墻和臺(tái)風(fēng)外圍的風(fēng)剖面特征，如平均風(fēng)剖面隨著高度的增加而增加，在一定的高度處達(dá)到最大值，然后風(fēng)速隨著高度減小，直到幾千米的高度[16]。

文獻(xiàn)[17]比較了臺(tái)風(fēng)的脈動(dòng)風(fēng)譜和季風(fēng)的脈動(dòng)風(fēng)譜，如圖3所示，結(jié)果表明兩者并沒有很大的不同。

3)每個(gè)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過時(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最大值。

結(jié)合用蒙特卡洛法模擬的臺(tái)風(fēng)經(jīng)過建筑物時(shí)的平均風(fēng)速和風(fēng)向及風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過時(shí)第k個(gè)時(shí)間步結(jié)構(gòu)峰值的風(fēng)振響應(yīng)，表示為xpeak,j,k，其中j為第j個(gè)臺(tái)風(fēng)；k為第k個(gè)時(shí)間步，其最大風(fēng)振響應(yīng)為：

(1)

4)第j個(gè)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過時(shí)響應(yīng)的最大值xmax,j服從Poisson分布，從而可以求得不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的最大響應(yīng)。

5)由最大風(fēng)振響應(yīng)可以用GLF及IWL法計(jì)算等效靜力風(fēng)荷載；在用Chen和Kareem的方法以及平均風(fēng)荷載+背景等效風(fēng)荷載+共振等效風(fēng)荷載的方法計(jì)算臺(tái)風(fēng)引起的等效靜力風(fēng)荷載時(shí)，假設(shè)每小時(shí)的風(fēng)荷載是平穩(wěn)過程求得每個(gè)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過時(shí)的等效靜力風(fēng)荷載。以各個(gè)方向結(jié)構(gòu)頂部最大位移為等效目標(biāo)的靜力風(fēng)荷載可能發(fā)生在不同的臺(tái)風(fēng)作用下，如何組合各個(gè)方向?qū)?yīng)的等效靜力風(fēng)荷載是值得研究的一個(gè)內(nèi)容。

3 結(jié)語

詳細(xì)的介紹了熱帶風(fēng)氣候條件下考慮風(fēng)向角影響的風(fēng)暴路徑法這一高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，并且指出了當(dāng)前還需繼續(xù)研究的問題：在風(fēng)暴路徑方法中，以各個(gè)方向結(jié)構(gòu)頂部最大位移為等效目標(biāo)的靜力風(fēng)荷載可能發(fā)生在不同的臺(tái)風(fēng)作用下，如何組合各個(gè)方向?qū)?yīng)的等效靜力風(fēng)荷載是值得研究的一個(gè)內(nèi)容。