主被动湍流混合作用的气旋风场特性及对高层建筑风效应影响

Tropical cyclone wind loads have already become the dominant loads of all kinds of buildings and structures in cyclone-prone regions. It is of critical important to describe the turbulence characteristics and tropical cyclone wind induced structural vibration accurately as it is the basic guarantee for wind-resistant design of structures in tropical cyclone prone regions. However, part of turbulent characteristics and its generating mechanism cannot be revealed with the action of active turbulence solely. In this research program, the concept of inactive turbulence will be adapted and the theoretical model with composite action of active and inactive turbulence will be established to study the structural characteristics and turbulence characteristics in tropical cyclone wind field. Features and generation mechanism of low level jet will be investigated first based on mean wind data observed on wind towers. Consequently, wind velocity and direction profile will be established in civil structures concerning height based on Doppler radar data. After that, characteristics of engineering turbulence parameters and turbulent energy spectrum in eddy surface layer and surface layer will be examined based on field measured fluctuating data. With these backgrounds, its influence on wind effects of tall buildings will be conducted through the comprehensive application of random vibration theory, numerical simulation method (ANSYS-CFX) and wind tunnel test. Finally, tropical cyclone wind resistant model will be established for tall building design in tropical cyclone prone regions. This research has important guiding significance and application value in structure wind-resistant design in tropical cyclone wind prone regions.

气旋风荷载是热带气旋影响区各类土木工程结构的主要或控制荷载，准确刻画气旋风场特性和风致响应是热带气旋影响区结构抗风设计的首要保证。目前采用主动湍流的作用机理无法揭示气旋风场的部分湍流特性及其形成机理。本研究将被动湍流作用机理引入气旋风场的研究中，通过建立主动湍流与被动湍流的混合作用机制来研究热带气旋风场的结构特征和湍流特性。首先基于梯度风场数据，研究热带气旋风场近地激流层的特征及产生机理，建立气旋边界层的风速和风向剖面精细化模型；之后利用脉动风场数据，研究气旋风场湍流参数特性及涡旋边界层和近地层的风速谱特征，提出适用于规范的理论模型；最后根据上述研究所得气旋风场独特的剖面模型、湍流特性和风速谱模型，利用随机振动理论，结合数值模拟和风洞实验来研究其对高层建筑风效应的影响，建立适用于热带气旋影响区的结构风振分析理论模型。本研究对气旋影响区各类建筑抗风设计具有重要的指导意义和应用价值。

抵御和减轻台风灾害是我国东南沿海台风影响区各类工程建筑结构的设计主要目标。台风场由于其独特的流场特征和湍流驱动机制，使得其风场剖面特征、湍流特征和能谱特性区别于常态风。本研究将被动湍流作用机理引入气旋风场的研究中，通过建立主动湍流与被动湍流的混合作用机制对台风场的结构特征、湍流特性以及对高层建筑风效应影响展开系统研究。通过本研究得到如下几条结论：(1)建立了由常流层、中间层和递减层组成的三层组合工程边界层风速剖面模型；提出了可适用于工程结构抗风设计的A类和C类场地工程边界层指数律剖面模型；揭示了台风场眼壁强风区的风速剖面在近地层存在一个近地激流层特征和形成机理。(2)对比分析了台风和飓风风场的工程湍流参数统计特性和概率分布模型，并与ASCE7-10中的相应推荐值进行了对比;揭示了相干结构为形成非平稳非高斯样本的本质，并分析了相干结构对湍流特性影响。(3)发现顺风向风速谱存在一个自相似子区的特征，眼壁强风区的顺风向风速谱在高频区存在一个二阶自相似子区和一个二阶含能子区。提出了包含含能区、自相似子区、惯性子区、二阶自相似子区、二阶含能区和二阶耗散区的六区域台风风场顺风向脉动风速谱统一理论模型；在莫宁-奥布霍夫相似理论的框架内建立了基于四个谱参数的脉动风速谱建模理论。(4) 基于ANSYS有限元分析平台，采用瞬态时程分析法，研究了考虑风向旋转效应的方形超高层建筑结构的风致响应特性；基于Copula函数模型建立台风场湍流强度、积分尺度和峰值因子的联合概率分布函数；根据该联合概率分布函数及A类场地中性层结的湍流参数边缘概率分布函数，研究了湍流参数的不确定性对背景响应因子、共振响应因子、风振系数以及建筑顶点加速度和位移响应的影响。本研究对台影响区各类建筑抗风设计具有重要的指导意义和应用价值。