近日臺風山竹即將登陸，很多分析預測山竹的強度可以達到17級，因此整個珠三角地區(qū)都嚴陣以待。
記得十幾年前我在香港學習的時候，有一次臺風在香港登陸。因此學校放假，我們在宿舍看電視。記者正在報道臺風防備情況，基本上各處都在認真戒備。最后記者來到香港會展中心，驚訝的發(fā)現(xiàn)一大群人在戶外呆著。過去一采訪，得知這群人都是來自北方的游客，沒有見過臺風登陸，正在戶外等著看熱鬧呢。
由于我國強臺風登陸多位于東南沿海地區(qū)，日常生活中很多人沒有機會經(jīng)歷臺風登陸的體驗。所以，作為《防災減災》系列課程的任課教師，為了幫助身處北京的同學們了解臺風的威力，我們采用計算流體力學的方法，分析了17級強風作用下清華校園的破壞情況，供大家學習參考。本文完全為了科普和教學目的，請各位風工程專家多加批評指正。
分析對象
分析對象為整個清華校園，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計算域為3.104km×3.621km×0.580km，其中上游長度0.352km，下游長度1.014km，建筑邊界距計算域兩側(cè)邊界均為0.624km，滿足COST 732和AIJ對區(qū)域CFD模擬的相關要求。計算域示意圖如圖2所示。
圖1 清華校園建筑群平面圖
圖2 CFD計算域示意圖
CFD參數(shù)設置
采用非結構化網(wǎng)格對計算域進行網(wǎng)格劃分。2018年臺風山竹最高風級達17級，依據(jù)蒲福氏風級劃分，17級臺風海平面上10m高處平均風速可達202km/h~219km/h，即56m/s~61m/s。粗略取地面上10m高處平均風速為58.5m/s進行分析。風向取為北風，如圖2所示。依據(jù)Hazus颶風模型技術手冊，臺風最大風速半徑附近的平均風速與高度的關系大致如圖3所示，可以看出，在500m以下，臺風風速-高度曲線大致與梯度風的風速-高度曲線相近。由于時間有限，本文暫且采用梯度風模型進行分析。依據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)，清華校園屬于有密集建筑群的城市市區(qū)，地面粗糙度類別為C，梯度風高度為450m，得到輸入的風速與高度關系為：
圖3 Hazus中最大風速半徑附近平均風速與高度關系
湍流模型采用Reynold Stress 7方程模型(RSM)，如果想獲取更加準確的模擬結果，可以采用大渦模擬(LES)，但由于LES計算量大、耗時長，此次分析沒有采用。計算域邊界條件為：入口為速度邊界，出口為自由流出邊界，頂部和兩側(cè)均為對稱邊界，底部以及建筑表面為墻邊界，采用Standard Wall Law。
模擬結果-風速
清華校園高度1.5m剖面的平均風速分布如圖4所示?？傮w來看，校園大部分區(qū)域平均風速在40m/s左右，建筑后方小塊區(qū)域的平均風速可以降到20m/s左右，但仍然嚴重影響人類活動。但是由于建筑物形成的“風道”效應，部分區(qū)域局部平均風速（如校園最北面的紫荊學生公寓附近）會有顯著增加，如圖5所示。
圖4 清華校園高度1.5m剖面的平均風速分布
圖5 局部區(qū)域平均風速分布
模擬結果-風壓
清華校園高度1.5m剖面的平均風壓分布如圖6所示。局部區(qū)域平均風壓如圖7所示。部分建筑表面正壓強最大可達3kPa，負壓強可達-4kPa，個別建筑表面所受負壓強甚至達到-5kPa。直接迎風的紫荊學生公寓W樓表面所受風壓詳圖如圖8所示。Hazus颶風模型技術手冊中給出了一些屋面抗拔力和墻表面砌塊抗風能力的實驗數(shù)據(jù)，如圖9和圖10所示。-4kPa相當于-84psf，從圖9和圖10可看出-4kPa已經(jīng)能對部分屋面、跨度超過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17級臺風有較大可能對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能力在45psf~60psf，即2.2kPa~2.9kPa。如果以±2.5kPa作為玻璃窗的破壞準則，則清華校園內(nèi)包括紫荊學生公寓W樓、荷清苑11~14號樓、西北15和16號樓、留學生公寓18~23號樓、桃李園食堂、蒙民偉科技樓、校醫(yī)院、老留學生樓、紫荊學生公寓13號樓、中央主樓、藍旗營2~4和7~9以及11號樓、搜狐網(wǎng)絡大廈、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)的建筑物均會發(fā)生玻璃窗破壞。當然，更多的破壞情況還可以進行進一步的分析。
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)域平均風壓分布
圖8 紫荊學生公寓W樓表面所受平均風壓情況
圖9 Hazus給出的部分屋面抗拔力試驗數(shù)據(jù)
圖10 Hazus給出的部分墻表面砌塊抗風能力易損性數(shù)據(jù)
