台风作用下超高层建筑风效应的跨尺度模拟和不确定性研究

With the height increase of supertall buildings situated in typhoon-prone area, engineers and researchers in wind engineering fields are facing new challenges. Mega frame-core structural systems, which are often used in the design of ever-taller high-rise buildings, would be the focus of this study. This project is aiming to develop cross-scale modeling methods (including both numerical and physical simulation) for studying wind effects and their uncertainties on mega frame-core building structures under typhoon. By devising new algorithms for data and mechanism assimilation among multi-scale numerical models, a new multi-scale typhoon model would be established. The next task of this project is to perform a series of wind tunnel tests to acquire basic aerodynamic and aeroelastic data of mega frame-core high-rise structures by carefully designing wind tunnel models, which are of high fidelity to the prototypes of mega frame-core structures. A unified Bayesian method of identification and probabilistic modeling would be proposed for quantifying uncertainties of wind effects on mega frame-core building structures. After analyzing wind tunnel test data of mega frame-core structures, probabilistic models of aerodynamic and aeroealstic characteristics of the super high-rise structures would be developed, and physical mechanism to govern wind effect uncertainties would be revealed. The outcome of this project will provide theoretical and methodological basis for improving wind hazard-resistant performances of landmark tall buildings.

我国东南沿海台风区各大城市新建的超高层建筑高度被不断刷新，对结构风工程的研究方法和基础理论带来了新的挑战。巨型框架-核心筒（简称，巨框-筒）体系，作为500米级超高层建筑的常用结构体系，是本项目风效应研究的主要对象。本项目拟对台风作用下巨框-筒超高层结构风效应的跨尺度模拟方法（包括数值和物理模拟）和台风导致的风荷载及效应不确定性展开深入研究。通过发展多个尺度台风数值模型之间的数据与机理耦合算法，旨在建立基于多尺度数值模拟的台风生成演化模型。采用多尺度台风数值模型的分析结果作为风洞试验风场入口条件，设计和开展系列刚性和弹性模型风洞试验，获取台风作用下巨框-筒结构风效应的基础数据。研究结构风效应不确定性的贝叶斯分析和建模新方法，阐明巨框-筒超高层结构气弹效应的概率模型要素，并揭示风效应不确定性的物理机制。本项目的成功开展可为提高地标性超高层建筑抵御台风的防灾减灾能力提供一定的理论和方法支持。

本项目对台风作用下超高层建筑的风效应开展数值-物理跨尺度耦合模拟和不确定性分析研究。项目综合利用现场实测、数值模拟、理论建模和风洞试验等研究手段，围绕台风风场特性和超高层建筑随机风振响应，顺利完成了各项主要研究任务，取得了丰硕的成果，共发表研究论文29篇，授权及公开发明专利5项。.现场实测方面：建立了多点同步的台风实时监测系统，在沿海复杂地貌位置获得了超长时间的外围台风风场风速风向时程记录；利用香港K11大楼周边风场及其振动状态的现场实测数据，建立了基于贝叶斯更新的超高层建筑风振性能评估框架体系，填补了超高层建筑风效应不确定性研究从理论研究到工程实践的缺失环节，该成果为城市环境已建超高层建筑的抗风安全性能验证、可靠性评估和正常运行功能保障提供了理论和方法支持。.台风风场数值模拟方面：基于中尺度气象模式WRF，对我国东南沿海地区历史台风开展了大量的多尺度数值模拟试验；结合2015年1509号“灿鸿”台风实测数据，开展了WRF系统物理参数方案敏感性分析；研究了跨尺度WRF-CFD耦合模拟框架中的局地湍流生成问题，并提出了改进策略；基于WRF和地理信息系统（GIS）技术，建立了多尺度台风风场数值模拟平台体系，能够高效实现特定区域三维台风风场的高精度模拟，为高层建筑结构抗风设计提供了新的方法支撑。.台风特性及理论建模方面：利用欧洲中长期天气预报中心气象再分析数据统计分析了我国东南沿海台风的低空急流环向不对称特性，提出了适用于我国沿海地区1000m级超高层建筑抗台风设计的台风风剖模型及其参数；研究建立了适用于西北太平洋海域的热带气旋全路径模型；结合Monte Carlo模拟和高效随机抽样方法，定量计算分析了结构抗风可靠度问题中主要不确定因素的概率分布，对某实际高层建筑在运行阶段的风振可靠度进行了有效评估。.风洞试验方法研究方面：针对某狭长体型并且具有竖向镂空的多塔连体超高层建筑，分析对比了6种基于高频天平测试技术(HFFB)的广义风力估计方法/模型，结合贝叶斯模型平均法与修正系数法的各自优点，提出了高层建筑风洞试验分析模型选取不确定性的评估方法；创新的提出了一种基于计算机视觉技术的超高层建筑多点同步风振响应测量方法，成功应用于多个典型超高层建筑气弹模型试验；与传统测试方法相比，该视觉识别结构风振测试方法高效、经济且实用，具有一定的推广应用价值。