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广州2024年龙卷风EF3级灾害评估中，低层建筑因密封性差异呈现不同破坏模式：密封建筑屋顶因负压失效，单侧开口建筑因快速进气导致内部压力激增，且外围墙破坏使屋顶荷载增加超60%。研究结合实地调查与CFD模拟，揭示墙体密封性对风荷载传递的关键作用。
刘玉杰|刘艳华|傅继扬|周康|王婷|何云成
广州大学风工程与工程振动研究中心，中国广州，510006
摘要
2024年4月，中国广州遭遇了一场龙卷风，导致基础设施和建筑物遭到严重破坏。为了评估此次事件的影响，一个研究团队对建筑类型明确且均匀的区域进行了快速现场调查。现场分析表明，该龙卷风的强度为增强藤田（EF）等级的EF3级，许多低层建筑出现了不同程度的损坏，包括屋顶被掀起、外墙破坏以及整体倒塌。建筑物在龙卷风期间的气密性或通风状况对其抵抗风荷载的能力有显著影响。为了进一步研究这一因素对建筑风损的影响，研究人员对低层结构进行了数值模拟。结果表明，对于密封良好的建筑，龙卷风造成的压力下降是导致屋顶损坏的关键因素；而对于仅有单侧开口的建筑，空气的快速涌入会显著增加内部压力。外围墙体的破坏改变了低层建筑的内部气流特性，使得屋顶承受的荷载比密封建筑增加了60%以上。这些发现强调了在龙卷风事件中保持墙体系统完整性的重要性。
引言
龙卷风是一种极具破坏性的气象现象，对基础设施和建筑物构成严重威胁。美国是全球龙卷风发生频率最高的国家，每年都有许多龙卷风事件导致大量人员伤亡和财产损失[1]、[2]。中国也面临频繁的龙卷风活动[3]，最近的统计数据表明龙卷风造成了巨大的经济损失[4]。2016年袭击江苏省的EF4级龙卷风导致99人死亡、800多人受伤。除了极短的预警时间（通常为15-20分钟）[5]外，龙卷风的核心区域内还具有极高的风速和显著的压力下降（负压扰动）[6]。这些极端条件会对现有基础设施造成灾难性破坏，从而间接威胁到人员的安全。
由于龙卷风的不可预测性和暴力性，准确预测其路径仍然具有挑战性。因此，对龙卷风影响的现场评估通常依赖于灾后调查来评估建筑物和植被的损坏情况。这些调查的重要组成部分是社区层面的损害评估。许多研究人员根据灾区的破坏情况分析了龙卷风的影响范围和强度[7]、[8]，或评估社区损失，以提出改进建筑规范和标准的建议[9]、[10]、[11]、[12]。随着研究的深入，学者们对受龙卷风作用影响的建筑物破坏模式进行了详细分析，重点关注屋顶结构、材料特性和连接性能等因素[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。这些发现为提高建筑物的抗风性能和整体性能提供了指导。此外，在灾后调查中，一些研究者指出，建筑围护结构密封不良会显著影响建筑物的整体抗风性能[18]、[19]。然而，由于灾后调查的局限性，量化这种影响仍然具有挑战性。
这些研究为提高建筑物的抗风设计提供了依据，并为相关建筑规范的更新提供了指导。然而，需要强调的是，作为典型的风灾，从结构风效应的角度关注龙卷风对结构响应和造成的损害至关重要。遗憾的是，目前大多数关于龙卷风的现场分析仍缺乏对这一效应的充分研究[20]。
相比之下，在计算流体动力学（CFD）领域，已经开展了大量关于龙卷风与结构相互作用的研究[21]。这些研究旨在更好地理解风对结构的影响，并改进龙卷风条件下的结构性能预测模型。例如，研究人员对各种类型的结构（包括低层建筑[22]、长跨度桥梁[23]和施工塔[24]）进行了风效应研究。这些研究为设计能够更好地抵御龙卷风的结构提供了重要见解。然而，由于现场调查和测量的不足，相关研究的深度仍有限。因此，本研究采用案例研究的方法，结合了灾后调查和CFD分析，旨在扩展龙卷风研究的知识基础，提供有助于提高建筑物抗龙卷风能力的数据，支持灾害预防和减灾工作。
2024年4月27日，中国广州遭遇了一场龙卷风，对该地区的许多轻型钢结构建筑造成了严重破坏。事件发生后，一个研究团队进行了灾后调查和针对性的数值模拟。本研究探讨了建筑物相对于龙卷风路径的位置及其密封状态如何影响所承受的荷载。研究结果为低层轻质结构的抗龙卷风设计提供了技术参考。本文的其余部分安排如下：第2节描述了龙卷风事件；第3节介绍了现场调查的结果；第4节详细介绍了针对低层建筑的数值模拟工作；第5节和第6节分别用于讨论和结论部分。
节选内容
龙卷风与灾后调查
广州位于中国南部，属于亚热带季风气候区，春季容易出现强烈的对流天气。此时，暖湿空气盛行，冷空气频繁向南移动，导致天气不稳定。4月27日左右，广州受到来自南海的暖湿气流的影响；同时，一股强烈的冷空气从北方向南移动，与暖湿气流交汇
龙卷风发展特征
图5展示了龙卷风路径上的总体破坏情况。A1区域表示金盆区附近的破坏情况，这里是龙卷风的起源点。灾后调查显示，该区域仅有少数结构损坏，主要包括轻型钢结构屋顶的轻微损坏、农用围栏的破坏以及少量树木的倒伏。在A2区域，虽然一些钢结构屋顶系统也受到了影响
结论
本研究对2024年4月袭击广州的龙卷风进行了灾后调查，量化了龙卷风的影响范围和强度。结果显示，该龙卷风的强度为EF3级，在300米×4000米的区域内造成了广泛的结构性破坏。
对于住宅混凝土建筑，损坏主要表现为玻璃破裂、太阳能热水器损坏以及附属结构的损坏。相比之下，分布广泛的轻型钢结构低层建筑
作者贡献声明
刘玉杰：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。
傅继扬：项目管理，资金筹集。
刘艳华：软件使用，数据整理。
王婷：现场调查。
周康：软件应用，方法论设计。
何云成：监督工作，资源调配，方法论设计，资金筹集
利益冲突声明
本手稿的提交过程中不存在利益冲突，所有作者均同意发表该论文。我代表我的合作者声明，所描述的工作是原创性研究，尚未在任何其他地方以全部或部分形式发表。所有列出的作者均已批准该论文的发表。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52538010、52508542、52578566）、广东省自然科学基金（项目编号：2023B1515020117）以及中国111项目（项目编号：D21021）的支持。
