台风多发地区考虑复杂地形影响的建筑结构设计风速预测研究

To buildings located in complex terrain and typhoon prone region, it is essential to know the accurate typhoon design wind speed of these buildings over complex terrain in the atmospheric boundary layer. But so far the traditional methods, including field measurement, wind tunnel experiment and CFD numerical simulation method, cannot solve this problem satisfactorily. To solve this problem with all available numerical simulation methods effectively, some problems existing in researches of typhoon wind field model and typhoon design wind speed prediction should be first solved. Therefore, this project first further develops the refined typhoon wind field model, and builds the mixed probability distribution function and the complete correlation analysis method of typhoon key parameters. Then, by integrating refined typhoon wind field model, Monte Carlo simulation method and CFD numerical simulation method, a simple and accurate numerical simulation procedure for predicting design wind speed of buildings considering the effect of complex terrain in typhoon prone region is proposed and the detail case study is used to verify its effectiveness. This research will provide a reasonable and accurate typhoon design wind speed for important buildings located in complex terrain and typhoon prone region, and further enhance the wind resistant research level of important buildings located in typhoon prone region.

准确获取台风多发地区复杂地形条件下建筑结构的设计风速对此条件下建筑结构的设计而言是至关重要的，但目前传统的现场实测、风洞试验以及CFD数值模拟技术都难以完全有效的解决此问题。本课题为综合利用各数值模拟手段有效的解决此问题，首先针对研究过程所涉及的台风风场模型以及台风极值风速预测研究所存在的问题，进一步发展更加精细化的台风风场模型，建立台风关键参数的联合概率分布表达式以及能产生具有完全相关性台风关键参数的分析方法，然后在此基础上综合利用精细化台风风场模型、Monte Carlo数值模拟技术以及CFD数值模拟技术提出计算简便、准确的台风多发地区考虑复杂地形影响的建筑结构设计风速预测流程，并利用详细的实例研究验证其有效性。此研究将为地处台风多发地区周围地形条件复杂的重要建筑结构的设计提供准确的设计风速，提升此条件下重要建筑结构的抗风减灾研究水平。

考虑台风和复杂地形对结构设计风速的影响对此条件下的结构设计意义重大，然而目前单一的现场实测、风洞实验和CFD数值模拟的技术手段均无法同时有效考虑这两方面因素的影响。本课题在以下几个方面进行了系统研究：（1）通过假定梯度风高度的切向风速分量近似等于梯度风并忽略移动速度造成的影响建立了Holland径向气压参数B表达式。将台风风速海面状况划分为有泡沫覆盖和无泡沫覆盖两部分，利用对数风速剖面表达式、Charnock关系式及中、小风速下海面拖拽系数的线性参数化表达式推导了海面拖拽系数Cd的计算表达式。建立了包含梯度风模型、近地风模型、Holland径向气压分布及地面粗糙长度计算公式在内的台风风场经验模型；（2）以台风历史数据为基础，分析了台风关键参数的联合概率分布，在Monte Carlo数值模拟中引入了能考虑所有台风关键参数间相关性的Cholesky分解法进一步完善了极值风速分析方法。（3）基于SST k-ω湍流模型推导了平衡大气边界层数值模拟的入口边界条件、壁面函数和湍流模型参数值，基于数字高程信息建立了多风向下三维复杂山体的地形模型并进行了相应的数值模拟，研究了风场类型、参考风速大小对复杂山体风场的影响，建立了各风向下考虑复杂地形影响的风速比及风向改变量；（4）基于风速比及风向角改变量、改进的台风风场模型及Monte Carlo数值模拟方法建立了考虑台风和复杂地形双重影响的结构设计风速预测方法，对选定研究位置处的结构设计风速进行了分析。本课题研究成果有利于提高工程计算用台风风场模型的预测精度，提高了传统极值风速分析方法的预测精度，对台风危险性分析与结构精细化设计方面均具有重要的理论意义和应用价值。