近日臺(tái)風(fēng)山竹即將登陸，很多分析預(yù)測(cè)山竹的強(qiáng)度可以達(dá)到17級(jí)，因此整個(gè)珠三角地區(qū)都嚴(yán)陣以待。
記得十幾年前我在香港學(xué)習(xí)的時(shí)候，有一次臺(tái)風(fēng)在香港登陸。因此學(xué)校放假，我們?cè)谒奚峥措娨?。記者正在?bào)道臺(tái)風(fēng)防備情況，基本上各處都在認(rèn)真戒備。最后記者來(lái)到香港會(huì)展中心，驚訝的發(fā)現(xiàn)一大群人在戶(hù)外呆著。過(guò)去一采訪(fǎng)，得知這群人都是來(lái)自北方的游客，沒(méi)有見(jiàn)過(guò)臺(tái)風(fēng)登陸，正在戶(hù)外等著看熱鬧呢。
由于我國(guó)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)登陸多位于東南沿海地區(qū)，日常生活中很多人沒(méi)有機(jī)會(huì)經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)登陸的體驗(yàn)。所以，作為《防災(zāi)減災(zāi)》系列課程的任課教師，為了幫助身處北京的同學(xué)們了解臺(tái)風(fēng)的威力，我們采用計(jì)算流體力學(xué)的方法，分析了17級(jí)強(qiáng)風(fēng)作用下清華校園的破壞情況，供大家學(xué)習(xí)參考。本文完全為了科普和教學(xué)目的，請(qǐng)各位風(fēng)工程專(zhuān)家多加批評(píng)指正。
分析對(duì)象
分析對(duì)象為整個(gè)清華校園，清華校園建筑群占地面積為1.855km×2.255km，最高建筑高度為78m，平面圖如圖1所示。CFD計(jì)算域?yàn)?.104km×3.621km×0.580km，其中上游長(zhǎng)度0.352km，下游長(zhǎng)度1.014km，建筑邊界距計(jì)算域兩側(cè)邊界均為0.624km，滿(mǎn)足COST 732和AIJ對(duì)區(qū)域CFD模擬的相關(guān)要求。計(jì)算域示意圖如圖2所示。
圖1 清華校園建筑群平面圖
圖2 CFD計(jì)算域示意圖
CFD參數(shù)設(shè)置
采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。2018年臺(tái)風(fēng)山竹最高風(fēng)級(jí)達(dá)17級(jí)，依據(jù)蒲福氏風(fēng)級(jí)劃分，17級(jí)臺(tái)風(fēng)海平面上10m高處平均風(fēng)速可達(dá)202km/h~219km/h，即56m/s~61m/s。粗略取地面上10m高處平均風(fēng)速為58.5m/s進(jìn)行分析。風(fēng)向取為北風(fēng)，如圖2所示。依據(jù)Hazus颶風(fēng)模型技術(shù)手冊(cè)，臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑附近的平均風(fēng)速與高度的關(guān)系大致如圖3所示，可以看出，在500m以下，臺(tái)風(fēng)風(fēng)速-高度曲線(xiàn)大致與梯度風(fēng)的風(fēng)速-高度曲線(xiàn)相近。由于時(shí)間有限，本文暫且采用梯度風(fēng)模型進(jìn)行分析。依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)，清華校園屬于有密集建筑群的城市市區(qū)，地面粗糙度類(lèi)別為C，梯度風(fēng)高度為450m，得到輸入的風(fēng)速與高度關(guān)系為：
圖3 Hazus中最大風(fēng)速半徑附近平均風(fēng)速與高度關(guān)系
湍流模型采用Reynold Stress 7方程模型(RSM)，如果想獲取更加準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，可以采用大渦模擬(LES)，但由于LES計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)，此次分析沒(méi)有采用。計(jì)算域邊界條件為：入口為速度邊界，出口為自由流出邊界，頂部和兩側(cè)均為對(duì)稱(chēng)邊界，底部以及建筑表面為墻邊界，采用Standard Wall Law。
模擬結(jié)果-風(fēng)速
清華校園高度1.5m剖面的平均風(fēng)速分布如圖4所示。總體來(lái)看，校園大部分區(qū)域平均風(fēng)速在40m/s左右，建筑后方小塊區(qū)域的平均風(fēng)速可以降到20m/s左右，但仍然嚴(yán)重影響人類(lèi)活動(dòng)。但是由于建筑物形成的“風(fēng)道”效應(yīng)，部分區(qū)域局部平均風(fēng)速（如校園最北面的紫荊學(xué)生公寓附近）會(huì)有顯著增加，如圖5所示。
圖4 清華校園高度1.5m剖面的平均風(fēng)速分布
圖5 局部區(qū)域平均風(fēng)速分布
模擬結(jié)果-風(fēng)壓
清華校園高度1.5m剖面的平均風(fēng)壓分布如圖6所示。局部區(qū)域平均風(fēng)壓如圖7所示。部分建筑表面正壓強(qiáng)最大可達(dá)3kPa，負(fù)壓強(qiáng)可達(dá)-4kPa，個(gè)別建筑表面所受負(fù)壓強(qiáng)甚至達(dá)到-5kPa。直接迎風(fēng)的紫荊學(xué)生公寓W樓表面所受風(fēng)壓詳圖如圖8所示。Hazus颶風(fēng)模型技術(shù)手冊(cè)中給出了一些屋面抗拔力和墻表面砌塊抗風(fēng)能力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖9和圖10所示。-4kPa相當(dāng)于-84psf，從圖9和圖10可看出-4kPa已經(jīng)能對(duì)部分屋面、跨度超過(guò)6m墻的表面砌塊造成破壞。由于歷史原因，清華校園墻體表面砌紅磚的建筑較多，可見(jiàn)17級(jí)臺(tái)風(fēng)有較大可能對(duì)清華校園的很多紅磚建筑造成一定破壞。
此外，Hazus中建議玻璃窗的抗風(fēng)能力在45psf~60psf，即2.2kPa~2.9kPa。如果以±2.5kPa作為玻璃窗的破壞準(zhǔn)則，則清華校園內(nèi)包括紫荊學(xué)生公寓W樓、荷清苑11~14號(hào)樓、西北15和16號(hào)樓、留學(xué)生公寓18~23號(hào)樓、桃李園食堂、蒙民偉科技樓、校醫(yī)院、老留學(xué)生樓、紫荊學(xué)生公寓13號(hào)樓、中央主樓、藍(lán)旗營(yíng)2~4和7~9以及11號(hào)樓、搜狐網(wǎng)絡(luò)大廈、科技大廈A和B座、創(chuàng)新大廈、西2和西10樓、高1樓、照瀾院工商銀行等在內(nèi)的建筑物均會(huì)發(fā)生玻璃窗破壞。當(dāng)然，更多的破壞情況還可以進(jìn)行進(jìn)一步的分析。
圖6 清華校園高度1.5m剖面的平均分壓分布
圖7 局部區(qū)域平均風(fēng)壓分布
圖8 紫荊學(xué)生公寓W樓表面所受平均風(fēng)壓情況
圖9 Hazus給出的部分屋面抗拔力試驗(yàn)數(shù)據(jù)
圖10 Hazus給出的部分墻表面砌塊抗風(fēng)能力易損性數(shù)據(jù)
