如果台风“山竹”来到清华园

       近日台风山竹即将登陆，很多分析预测山竹的强度可以达到17级，因此整个珠三角地区都严阵以待。

       记得十几年前我在香港学习的时候，有一次台风在香港登陆。因此学校放假，我们在宿舍看电视。记者正在报道台风防备情况，基本上各处都在认真戒备。最后记者来到香港会展中心，惊讶的发现一大群人在户外呆着。过去一采访，得知这群人都是来自北方的游客，没有见过台风登陆，正在户外等着看热闹呢。

       由于我国强台风登陆多位于东南沿海地区，日常生活中很多人没有机会经历台风登陆的体验。所以，作为《防灾减灾》系列课程的任课教师，为了帮助身处北京的同学们了解台风的威力，我们采用计算流体力学的方法，分析了17级强风作用下清华校园的破坏情况，供大家学习参考。本文完全为了科普和教学目的，请各位风工程专家多加批评指正。

分析对象为整个清华校园，清华校园建筑群占地面积为1.855km×2.255km，最高建筑高度为78m，平面图如图1所示。CFD计算域为3.104km×3.621km×0.580km，其中上游长度0.352km，下游长度1.014km，建筑边界距计算域两侧边界均为0.624km，满足COST 732和AIJ对区域CFD模拟的相关要求。计算域示意图如图2所示。

图1 清华校园建筑群平面图

图2 CFD计算域示意图

       采用非结构化网格对计算域进行网格划分。2018年台风山竹最高风级达17级，依据蒲福氏风级划分，17级台风海平面上10m高处平均风速可达202km/h~219km/h，即56m/s~61m/s。粗略取地面上10m高处平均风速为58.5m/s进行分析。风向取为北风，如图2所示。依据Hazus飓风模型技术手册，台风最大风速半径附近的平均风速与高度的关系大致如图3所示，可以看出，在500m以下，台风风速-高度曲线大致与梯度风的风速-高度曲线相近。由于时间有限，本文暂且采用梯度风模型进行分析。依据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)，清华校园属于有密集建筑群的城市市区，地面粗糙度类别为C，梯度风高度为450m，得到输入的风速与高度关系为：

图3 Hazus中最大风速半径附近平均风速与高度关系

     湍流模型采用Reynold Stress 7方程模型(RSM)，如果想获取更加准确的模拟结果，可以采用大涡模拟(LES)，但由于LES计算量大、耗时长，此次分析没有采用。计算域边界条件为：入口为速度边界，出口为自由流出边界，顶部和两侧均为对称边界，底部以及建筑表面为墙边界，采用Standard Wall Law。

       清华校园高度1.5m剖面的平均风速分布如图4所示。总体来看，校园大部分区域平均风速在40m/s左右，建筑后方小块区域的平均风速可以降到20m/s左右，但仍然严重影响人类活动。但是由于建筑物形成的“风道”效应，部分区域局部平均风速（如校园最北面的紫荆学生公寓附近）会有显著增加，如图5所示。

图4 清华校园高度1.5m剖面的平均风速分布

图5 局部区域平均风速分布

清华校园高度1.5m剖面的平均风压分布如图6所示。局部区域平均风压如图7所示。部分建筑表面正压强最大可达3kPa，负压强可达-4kPa，个别建筑表面所受负压强甚至达到-5kPa。直接迎风的紫荆学生公寓W楼表面所受风压详图如图8所示。Hazus飓风模型技术手册中给出了一些屋面抗拔力和墙表面砌块抗风能力的实验数据，如图9和图10所示。-4kPa相当于-84psf，从图9和图10可看出-4kPa已经能对部分屋面、跨度超过6m墙的表面砌块造成破坏。由于历史原因，清华校园墙体表面砌红砖的建筑较多，可见17级台风有较大可能对清华校园的很多红砖建筑造成一定破坏。

此外，Hazus中建议玻璃窗的抗风能力在45psf~60psf，即2.2kPa~2.9kPa。如果以±2.5kPa作为玻璃窗的破坏准则，则清华校园内包括紫荆学生公寓W楼、荷清苑11~14号楼、西北15和16号楼、留学生公寓18~23号楼、桃李园食堂、蒙民伟科技楼、校医院、老留学生楼、紫荆学生公寓13号楼、中央主楼、蓝旗营2~4和7~9以及11号楼、搜狐网络大厦、科技大厦A和B座、创新大厦、西2和西10楼、高1楼、照澜院工商银行等在内的建筑物均会发生玻璃窗破坏。当然，更多的破坏情况还可以进行进一步的分析。

图6 清华校园高度1.5m剖面的平均分压分布

图7 局部区域平均风压分布

图8 紫荆学生公寓W楼表面所受平均风压情况

图9 Hazus给出的部分屋面抗拔力试验数据

图10 Hazus给出的部分墙表面砌块抗风能力易损性数据