热带风气候条件下风荷载研究的风暴路径法

于树志 傅伟东

(汕头大学土木工程系，广东 汕头 515063)

1 概述

风暴路径法(Storm Passage Method)[1-3]是针对热带气候条件(主要是台风作用)下结构响应的计算方法，在温带气候方法中没有考虑一个特定风暴的风速和风向时程细节，对一个大尺度温带低压系统引起的全局风来说这些信息通常是不需要的，但是在评估热带风暴和其他一些小尺度风暴时，其风速和风向随时间变化则需要考虑，并且每个台风经过时引起的结构风荷载和响应并不是平稳随机过程，需要模拟未来影响该建筑物所有可能的台风。

2 热带风气候条件下的风暴路径法

风暴路径法首先需要用蒙特卡洛法模拟将来可能发生的数千个台风，然后结合风洞试验数据进行建筑风荷载和响应极值的预测，其过程如下：

1)用蒙特卡洛法模拟建筑物所在地区将来可能发生的几千个台风历经的路径，得到每个台风引起的建筑物位置处小时平均风速和风向结果。

用蒙特卡洛法模拟台风的方法有很多[4-12]，Yan Meng等[13,14]把风速看作是梯度风速和边界层内衰减风速的和，将NS方程拆分为梯度层和边界层内对应的平衡微分方程，通过摄动法分别求得微分方程的数值解。Yan Meng风场模型可以用于求解移动台风风场中不同的高度和剖面风速的变化规律，同时也引入各风向等效粗糙长度以考虑目标地点周边地形对台风风速的影响。图1给出了该方法中台风数值模拟的全过程，首先以目标地点为圆心做半径为500 km圆，其次根据气象资料统计以往台风离目标点的距离Dmin、中心压差Δp、移动方向θ、移动速度c、最大风速半径R等关键参数的分布；再次根据台风模型和关键参数模拟台风；最后，获得目标地点的平均风速和风向随时间的变化。

2)在风洞中模拟台风风场。

用蒙特卡洛法进行台风模拟获得的每小时平均的风速排除风中固有湍流引起的脉动成分，湍流的影响反映在气动力数据中，该气动力数据通过风洞试验获得。在模拟的大气边界层中，台风的平均风速剖面是非常重要的一个物理量，远离台风风眼处的风剖面可以用一般的大气边界层风剖面表示，一些文献指出台风具有较高的湍流强度。但由于很少成功实测到台风风眼墙附近的数据，对其还缺乏认识。图2表示了风眼墙和台风外围的风剖面特征，如平均风剖面随着高度的增加而增加，在一定的高度处达到最大值，然后风速随着高度减小，直到几千米的高度[16]。

文献[17]比较了台风的脉动风谱和季风的脉动风谱，如图3所示，结果表明两者并没有很大的不同。

3)每个台风经过时结构响应的最大值。

结合用蒙特卡洛法模拟的台风经过建筑物时的平均风速和风向及风洞试验数据，计算每个台风经过时第k个时间步结构峰值的风振响应，表示为xpeak,j,k，其中j为第j个台风；k为第k个时间步，其最大风振响应为：

(1)

4)第j个台风经过时响应的最大值xmax,j服从Poisson分布，从而可以求得不同重现期对应的最大响应。

5)由最大风振响应可以用GLF及IWL法计算等效静力风荷载；在用Chen和Kareem的方法以及平均风荷载+背景等效风荷载+共振等效风荷载的方法计算台风引起的等效静力风荷载时，假设每小时的风荷载是平稳过程求得每个台风经过时的等效静力风荷载。以各个方向结构顶部最大位移为等效目标的静力风荷载可能发生在不同的台风作用下，如何组合各个方向对应的等效静力风荷载是值得研究的一个内容。

3 结语

详细的介绍了热带风气候条件下考虑风向角影响的风暴路径法这一高层建筑抗风设计方法，并且指出了当前还需继续研究的问题：在风暴路径方法中，以各个方向结构顶部最大位移为等效目标的静力风荷载可能发生在不同的台风作用下，如何组合各个方向对应的等效静力风荷载是值得研究的一个内容。