基于数值模拟的东南沿海台风危险性分析及轻钢结构风灾易损性研究

摘要

全球因台风造成的灾害和损失日益严重，增强工程设施的抗风能力是减少台风灾害的技术手段。工程抗风设计或区域抗台风防灾规划需要进行台风风险性分析，同时，保险业界对台风灾害损失的保险（如巨灾债券）也需要对台风风险进行评估。台风危险性及承灾体的易损性是台风风险分析的两个重要部分。考虑到台风低频度、小尺度的特征以及台风条件下观测仪器的破坏导致观测数据质量无法保证和数据丢失，直接基于观测数据进行台风危险性分析难度很大，目前国际上普遍采用基于随机数值模拟的方法。
　　我国东南沿海是台风多发区，然而对这一地区的台风危险性还缺乏有效的分析手段和数据；在台风损失方面，低矮轻钢结构工业厂房是台风易损结构。国内外关于轻钢结构的台风易损性方面的研究还很少，目前的研究还没有定量分析结果。本文针对我国东南沿海地区，在台风风场模型、台风关键参数概率模型和台风危险性数值模拟，以及轻钢厂房结构的易损性分析方面开展了系统研究，主要内容及结论如下。
　　基于Thompson和Cardone提出的台风风场模型（简写为Thompson和Cardone风场模型），利用2008年和2010年登陆广东的三个强台风的卫星观测数据和若干个近地观测站点的观测数据，研究了Thompson和Cardone风场模型在华南沿海地区的适用性。提出了通过天气图回归得到Holland气压剖面参数（通常表示为B）模型的方法，并对风场验证过程涉及的几个关键问题，即陆地站点边界层的处理及参数敏感性分析等问题进行了讨论。研究表明，基于不同B模型模拟后报的风速和风向整体趋势与观测结果吻合较好；对风速而言，利用四站点天气图数据回归B模型得到的风速误差最小；在没有天气图数据的条件下，当B取值为1时，三个海岛观测塔模拟后报风速误差最小。建议在有天气图数据的条件下，由测得的气压剖面拟合得到B。
　　基于台风年鉴数据统计得到了沿海十一个主要城市遭遇台风的关键参数概率分布。研究表明，台风关键参数的分布具有区域性特点，经纬度较接近的地区参数估计值较接近；台风历史记录数据表明，最大风速半径（Rmax）分别与中心压差、Holland气压剖面参数之间存在负相关，与纬度的相关性可以忽略不计，最大风速半径取自然对数后与中心压差之间满足线性关系。
　　基于Thompson和Cardone风场模型及台风关键参数的概率分布对东南沿海进行了系统的台风危险性分析，并对比分析了两种随机模拟思路和Holland气压剖面参数对预测极值风速的影响。研究表明，基于模拟年最大风速抽样的极值风速预测思路逻辑清楚，预测结果与历史观测资料结果吻合较好；采用Harper和Holland提出的参数 B模型得到的香港台风年极值风速结果与历史观测资料得到的极值风速误差小于5％。在上述分析基础上，采用推荐的随机模拟方案模拟得到了东南沿海十一个主要城市的台风危险性分析结果。
　　以厂房结构缩尺模型的风洞试验结果为基础，用构件可靠度理论中的Rackwitz-Fiessler方法对轻型钢结构厂房屋面系统的构件易损性进行了研究。研究表明，面积平均后的风压系数多数服从移轴 Gamma分布；不同屋面分区的最危险风向不同；郊区地貌下易损性（即条件失效概率）比空旷地貌下更低；不同地貌下风压的非高斯分布对易损性结果的影响不同，在空旷地貌下对易损性结果的影响不明显，而在郊区地貌下对易损性影响很大。

目录

基于数值模拟的东南沿海台风危险性分析及轻钢结构风灾易损性研究

TYPHOON WIND HAZARD ANALYSIS BASED ON NUMERICAL SIMULATION AND FRAGILITY OF LIGHT-GAUGE STEEL STRUCTURE IN SOUTHEAST CHINA COASTAL REGIONS

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 基于数值模拟的台风危险性分析研究现状

1.2.1 台风风场模型

1.2.2 随机抽样模拟与极值风速预测

1.3 台风易损性研究现状

1.3.1 台风易损性的基本定义

1.3.2 基于概率方法的易损性研究

1.3.3 台风易损性不确定性研究

1.4 本文主要工作

第2章 Thompson和Cardone台风风场在中国东南沿海的适用性研究

2.1 引言

2.2 Thompson和Cardone台风风场求解

2.3 Thompson和Cardone台风风场的验证

2.4 陆地观测站点台风风场模拟

2.4.1 最大风速半径的确定

2.4.2 基于天气图数据回归参数B

2.4.3 完全陆地求解方法（第一种模拟方法）

2.4.4 海陆风场转换方法（第二种模拟方法）

2.5 Thompson和Cardone台风风场参数敏感性分析

2.5.1 Holland气压剖面参数B敏感性分析

2.5.2 粗糙度长度敏感性分析

2.6 台风径向不同点风速模拟

2.7 本章小结

第3章 中国东南沿海主要城市台风关键参数概率特性研究

3.1 引言

3.2 地理区域及数据来源

3.3 台风关键参数概率分布

3.3.1 备选概率分布

3.3.2 台风样本的选取

3.3.3 沿海十一个城市遭遇台风的关键参数概率分布

3.4 台风关键参数相关性分析

3.4.1 最大风速半径与中心压差及纬度

3.4.2 参数B与最大风速半径

3.5 衰减模型

3.6 本章小结

第4章 基于Thompson和Cardone台风风场模型的中国东南沿海台风危险性分析

4.1 引言

4.2 基于两种模拟思路的台风危险性分析对比

4.2.1 方法一

4.2.2 方法二

4.2.3 两种方法预测极值风速对比

4.3 台风极值风速对参数B的敏感性分析

4.4 沿海十一个城市的随机台风模拟与极值风速预测

4.5 本章小结

第5章 基于可靠度方法的轻钢结构台风易损性分析

5.1 引言

5.2 基于风洞数据的台风荷载统计模型

5.2.1 风洞试验数据

5.2.2 不同风向和地貌的风压系数的概率分布

5.2.3 台风风荷载统计模型

5.3 失效模式及其抗力的概率模型

5.3.1 屋面构件选型

5.3.2 破坏模式

5.3.3 与失效模式对应的抗力模型

5.4 基于概率可靠度方法的构件易损性研究

5.4.1 风向及地貌对构件台风易损性的影响

5.4.2 面积平均对构件台风易损性的影响

5.4.3 不同分区最危险工况的易损性对比

5.4.4 风压非高斯分布对易损性结果的影响

5.5 台风作用下结构构件失效概率

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历