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某景观烟囱顺风向风振响应分析与风振系数确定

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建筑结构荷载规范

建筑结构荷载规范

建筑结构荷载规范[附条文说明] GB50009-20121总则1.0.1为了适应建筑结构设计的需要，符合安全适用、经济合理的要求，制定本规范。

1.0.2本规范适用于建筑工程的结构设计。

1.0.3本规范依据国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》GB50153-2008规定的基本准则制订。

1.0.4建筑结构设计中涉及的作用应包括直接作用(荷载)和间接作用。

本规范仅对荷载和温度作用作出规定，有关可变荷载的规定同样适用于温度作用。

1.0.5建筑结构设计中涉及的荷载，除应符合本规范的规定外，尚应符合国家现行有关标准的规定。

2术语和符号2.1术语2.1.1永久荷载permanent load在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。

2.1.2可变荷载variable load在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。

2.1.3偶然荷载accidental load在结构设计使用年限内不一定出现，而一旦出现其量值很大，且持续时间很短的荷载。

2.1.4荷载代表值representative values of a load设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值，例如标准值、组合值、频遇值和准永久值。

2.1.5设计基准期design reference period为确定可变荷载代表值而选用的时间参数。

2.1.6标准值characteristic value／nominal value荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值(例如均值、众值、中值或某个分位值)。

2.1.7组合值combination value对可变荷载，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率，能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致的荷载值；或使组合后的结构具有统一规定的可靠指标的荷载值。

2.1.8频遇值frequent value对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。

B类风场与台风风场下输电塔的风振响应和风振系数

B类风场与台风风场下输电塔的风振响应和风振系数

B类风场与台风风场下输电塔的风振响应和风振系数楼文娟;夏亮;蒋莹;金晓华;王振华【摘要】为研究常规B类风场与台风风场下输电塔的风振响应差异,以沿海地区某四回路角钢输电塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法生成两类风场下的风速时程,并在时域内进行了输电塔风振响应和风振系数的数值分析.结果表明:台风风场的高湍流特性导致其作用时各测点的顺风向风振响应均大于B类风场下的对应值.两类风场下,输电塔的风振系数比值约为1.25.因此,台风多发地区的输电塔设计必须考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应.此外还进行了气弹模型风洞试验,以研究不同风速下的气动响应和风振系数,并将试验结果与理论计算进行了分析比较,验证了数值分析的适用性.%A numerical analysis on the wind-induced response of a four-circuit angle-steel transmission tower under conventional terrain B wind field and typhoon wind field was performed. A FEM model was established, and the dynamic response was calculated under a fluctuating wind field simulated by using harmonic wave superimposing method. Based on data of numerical analysis, wind-induced responses under each wind field were discussed. Essential conclusions are as follows; high turbulence and strong variability of typhoon wind field have great influence on the response of transmission towers. The RMS of acceleration under typhoon wind field is larger than that under terrain B wind field. Under the two types of wind fields, the average ratio of wind load factor is about 1.25. Therefore, the design of transmission towers in typhoon-prone areas should take the fluctuating wind load magnification effect into consideration. Furthermore, the wind tunnel test on anaeroelastic model of the transmission tower was performed to study its wind-induced responses under different velocity. The test results were compared with theoretical values and the accuracy of the numerical analysis was verified.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2013(032)006【总页数】5页(P13-17)【关键词】输电塔;数值分析;风振响应;风振系数;台风风场【作者】楼文娟;夏亮;蒋莹;金晓华;王振华【作者单位】广东省电力设计研究院,广州510663【正文语种】中文【中图分类】TU973.32我国东南沿海为台风多发地区，台风风场的高湍流度、强离散性和强变异性等特征将产生与良态风作用下不同的复杂风振效应，而现行规范尚未涉及台风作用下输电塔风荷载的具体规定。

厦门大学《风工程》课件-2顺风向风振、风振系数和阵风系数

厦门大学《风工程》课件-2顺风向风振、风振系数和阵风系数

厦门大学土木工程系硕士课程
（2）Shiotami 建议采用只与两点距离有关的简单表达式。 zi z j coh( zi , z j ) exp Lz
xi x j coh( xi , x j ) exp Lx 2 2 12 zi z j xi x j coh( xi , x j , yi , y j ) exp 2 2 Lz Lx
i j
S Pi Pj ( ) S Pi ( ) S Pj ( ) coh( xi , yi , zi , x j , y j , z j , )
其中，SPi ()、SPj () 分别为 i、j 两点脉动风力的自功 率谱密度函数，两点的坐标分别为 ( xi , yi , zi ) 和 ( x j , y j , z j ) ，两 点处脉动风力的相干函数为 coh( xi , yi , zi , x j , y j , z j , ) 。 上述系列公式可用于对任意结构的脉动风力响应进行计 算，包括了各振型响应以及各振型耦合项响应的贡献。考虑 的模态越多，结果越准确，越接近于时程分析的结果。
2 lk
l
2
T
S P P ( ) l i j
T
yk ,l lk


0
H l (i )
l
S P P ( ) l d i j
厦门大学土木工程系硕士课程
上面对公式的推导过程中， () S P P ( ) 矩阵中的元素 SPP i j 可从风洞试验数据中获得或者由下列公式求得：
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对于高层与高耸结构，如仅考虑第1阶振型的影响，即认 为第1阶振型的响应起主要作用，可得到响应公式如下：

关于排气筒风振问题的探讨

关于排气筒风振问题的探讨

312排气筒是废气处理中的常用设备，高径比较大，易受风载影响，容易发生共振，产生破坏性影响，因此在此类设计时，需要重点考虑风载对设备影响。

我单位设计的一台排气筒，筒体外径为426mm，排气筒总高15000mm，该台设备的高径比H/D=35.2，属于典型的细高型设备，在此我们要重点分析遇到风载时应考虑的问题。

1 设备的基本结构1.1 设计参数设计压力/Mpa（G）常压介质/密度/(kg·m -3)处理后油气操作压力/Mpa（G）常压抗震设防烈度7设计温度/℃60设计地震分组第一组操作温度/℃常温设计基本加速度0.1g 基本风压/Pa 400场地土类别Ⅲ基本雪压/Pa200地面粗糙度B类1.2 结构设计排气筒属于烟囱结构，主要由筒体（件1）、裙座（件2）、管口等附件（件3）等组成，结构形式见图1：1.2.1 筒体因为设计压力为常压，介质为处理过的油气，材质选用20#的无缝钢管，根据PV软件进行强度计算，厚度10mm，由于介质中含有硫化氢等杂质，所以钢管内表面采用热浸铝防腐。

1.2.2 裙座裙座的材质一般选用Q 235B ，考虑到防腐要求，所以在裙座内表面采用热浸铝。

对于细高设备而言，在受到风载时，底部截面的弯矩比其他任一截面的弯矩要大，设计需要的地脚螺栓数量较多，考虑地脚螺栓的间距和布置问题，所以裙座使用圆锥形筒体，裙座筒体的底面直径为700mm。

2 风振影响2.1 风振产生机理当设备受到风载时，筒体背面的两侧交替形成旋涡并以确定的频率从筒体表面脱落，在尾流中有规律的交错排列，形似“涡街”。

当旋涡脱落频率等于设备某一振型的自振频率时，设备会发生激烈振动，此现象属于一种诱导振动。

当排气筒承受风载，并符合以上条件时也会出现周期性的旋涡并诱发振动，严重时可导致设备的破坏。

2.2 排气筒的振动判别在GB50051—2013中采用雷诺数，同时加临界风速和烟囱顶部风速进行判别：（1）临界风速：V c1===4.26m/sV c1——第1振型的临界风速，m/s；d ——圆筒形结构的外径，m S t——斯脱罗哈数，对圆形截面结构或构件取0.2T1——结构或构件的1振型的自振周期，s 烟囱顶部风速：V H ==40=27 m/sV H ——结构顶部的风速，m/s；μ0——高度H处风压高度变化系数；w 0——基本风压，kN/m 2；所以，V H ﹥V c1时，可能发生第1振型共振（2）雷诺数：Re=69000Vd=69000x4.26x0.426 =1.25x105V ——计算高度处的风速，m/s，可取V ＝V c1当Re<3 x105时，一旦风振频率与设备的自振频率相符时，即发生亚临界的微风共振（3）结论：R e<3×105且V H ﹥V c1时，应在构造上采取防振措施或控制结构的临界风速。

7.4 顺风向风振和风振系数

7.4 顺风向风振和风振系数

7.4 顺风向风振和风振系数7.4.1对于基本自振周期T1 大于0.25s 的工程结构，如房屋、屋盖及各种高耸结构,以及对于高度大于30m 且高宽比大于1.5 的高柔房屋，均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。

风振计算应按随机振动理论进行，结构的自振周期应按结构动力学计算。

注:近似的基本自振周期T1 可按附录E 计算。

7.4.2对于一般悬臂型结构，例如构架、塔架、烟囱等高耸结构,以及高度大于30m，高宽比大于1.5 且可忽略扭转影响的高层建筑，均可仅考虑第一振型的影响，结构的风荷载可按公式(7.1.1-1)通过风振系数来计算，结构在z 高度处的风振系数βz 可按下式计算:式中ξ—脉动增大系数；υ—脉动影响系数；—振型系数；μz—风压高度变化系数。

7.4.3脉动增大系数，可按表7.4.3 确定。

注：计算时，对地面粗糙度B 类地区可直接代入基本风压，而对A 类、C 类和D 类地区应按当地的基本风压分别乘以1.38、0.62 和0.32 后代入。

7.4.4脉动影响系数，可按下列情况分别确定。

1 结构迎风面宽度远小于其高度的情况(如高耸结构等)：1)若外形、质量沿高度比较均匀，脉动系数可按表7.4.4-1 确定。

2)当结构迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线变化，而质量沿高度按连续规律变化时，表7.4.4-1 中的脉动影响系数应再乘以修正系数θB 和θv。

θB应为构筑物迎风面在z 高度处的宽度Bz 与底部宽度B0 的比值；θν可按表7.4.4-2 确定。

2 结构迎风面宽度较大时,应考虑宽度方向风压空间相关性的情况(如高层建筑等):若外形、质量沿高度比较均匀，脉动影响系数可根据总高度H 及其与迎风面宽度B 的比值，按表7.4.4-3 确定。

7.4.5振型系数应根据结构动力计算确定。

对外形、质量、刚度沿高度按连续规律变化的悬臂型高耸结构及沿高度比较均匀的高层建筑,振型系数也可根据相对高度z/H 按附录F 确定。

高层建筑顺风向风振系数研究分析

高层建筑顺风向风振系数研究分析

法 计算 的风振系数均略大于按规范计算的结果。 图 ６给出建筑各楼层峰值位移 。阵风荷载 因子法 、 惯性风荷
敏感 ， 高层建筑设 计 中 ， 风 荷载 通常起 到控 制性 作用 。 目前 现行
本风压取 ５ ０年重现期 的风压 ０ ． ４ ５ ｋ Ｎ ／ ｍ。 ， 结 构第一 自振周 期为
２ ． ４ １ ｓ ， 结构 阻尼 比取 ０ ． ０ ５ ； 脉动 风模拟 时 间为 ２ ０ ４ Ｓ ， 时 间间 隔
０ ． １ ｓ ， 每层均设为 加载层。使用美 国 Ｃ Ｓ Ｉ 公司编制 的大型结构分
析与设计软件有限元程序 Ｅ Ｔ Ａ Ｂ Ｓ 建立三维有 限元模 型， 分别 采用
的《 建筑结构荷 载规 范》 中采用 简化风振 系数来 计算高 层建筑 顺 风 向的风荷载影 响 ， 仅考 虑线 弹性结 构第 一振 型 ， 忽略结 构高
建 筑结构荷 载规 范》 方法计 算 的结果 与结构 （ ２ ） 法计算 的结 果与按《 的第一阶振型变化规 律相 似 ， 且 下小 上大 ， 二者 均考虑 振 型系数 惯性 风荷载法是按随机振动理论得 到一 阶广 义位 移响应 ， 使
结构 产生该位移的惯性力 ， 可 得 到 高 度 处 的 风 振 系 数 公 式 为 ：
峰值 因子 。
＾ — — — —
图 １ 顺风向脉 动风压 时程与 目标 自功率谱对比结果（ 建筑 ３层 ）
阵风荷载因子法的风振系数 即“ 阵风因子” ， 可 表示 为 ：
Ｇ＝Ｒ （ ｚ ） ／ Ｒ（ ｚ ）＝１ ｇ Ｒ （ ） ／ Ｒ （ ｚ ）
图 ５给出了建筑 各楼 层风 振系数 ， 可 以看 出 ， 按惯 性风 荷载
度处 自相关 函数对 比结果 ， 可 以看 出脉 动风速的空 间相关特 性较

顺风向结构风致响应一般计算方法

顺风向结构风致响应公式推导0 引言近些年来，由于全球气候变暖,风灾变得更为频繁,在所有自然灾害中，风灾造成的经济损失已经跃居各种自然灾害之首。

每年造成全球经济损失达数百亿甚至千亿美元,而我国东南沿海地区又是受风灾影响比较严重的区域。

同时，随着土木工程结构向着高、大跨、柔、轻质和低阻尼方向发展，结构对风的敏感性大大增强，与结构损坏有关的风灾屡见不鲜，风荷载正在逐渐成为结构设计时的控制荷载之一，国内外工程技术人员对建筑物的抗风设也计越来越重视。

在研究风对结构的作用时，一般将其分为平均风和脉动风。

本文主要讨论顺 风向的结构风致响应。

顺风向的结构风致响应是在平均风和脉动风共同作用下产生的。

我国建筑和在规范规定，对于高度高于30m 且高宽比大于1.5的房屋结构，对于基本自振周期不大于0.25s 的塔架、桅杆、烟囱等高耸结构，应考虑到风压脉动引起的结构动力效应。

由于脉动风的卓越周期在一分钟左右，而高、柔、大跨度结构的基本周期也只在几秒这个数量级，因此结构愈柔，基本周期愈长，顺风向的风致响应就愈大。

目前关于结构顺风向风致响应的计算方法一般是基于加拿大Davenport 在20世纪60年代提出并不断发展完善的。

依据该方法，顺风向的结构总风致响应由平均风响应、脉动风响应组成，其中脉动风响应包括背景响应和共振响应。

图0-1（A ）表示了时域内的平均响应r 、背景响应B r 和共振响应R r ，图0-1（B ）表示了频域内的背景均方响应2B r 、前三阶共振均方响应21R r 、22R r 和23R r 。

下面主要探讨下单自由度和多自由度结构的顺风向风致响应。

图0-1 平均、背景和共振响应1 单自由度结构顺风向风振响应结构的自由度数等于确定其各部分位置所需参数的数目。

有很多结构，将其假定为单自由度结构，在计算其顺风向动力响应时能获得合力准确的计算结果。

在计算结构的顺风向响应时，仅考虑顺风向部分的湍流速度分量u ，其他湍流分量对结构的振动响应影响不显著。

中美标准顺风向风载计算比较

中美标准顺风向风载计算比较刘天英;张晗;段英连【摘要】为了解美国标准顺风向风载作用计算,对中国标准GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》及美国标准ASCE/SEI 7-10《建筑物及其他构筑物最小设计荷载》两部标准中顺风向荷载作用计算进行介绍.通过对顺风向风压作用的风压高度变化系数、体型系数、风振系数等对比分析,进一步探讨中美标准各系数的差别.通过具体算例比较中美标准风载的大小,结果表明:对于同一场地无论刚性建筑还是柔性风敏建筑,基于美国标准的风载计算值均高于基于中国标准的风载计算值.【期刊名称】《吉林电力》【年(卷),期】2015(043)006【总页数】5页(P4-7,15)【关键词】中美标准;顺风向风载;计算方法【作者】刘天英;张晗;段英连【作者单位】中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,长春130021;中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,长春130021;中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,长春130021【正文语种】中文【中图分类】TU312.1随着中国“走出去”战略的大力实施，国内工程公司开始在一些相对发达的国家或地区承揽项目。

这些项目有的在标书中直接要求采用美国标准设计，有的公司聘请美国咨询工程师进行图纸确认。

美国咨询工程师熟悉美国标准（以下简称美标），不了解中国标准（以下简称中标），而中国工程设计人员熟悉中标，这就阻碍了图纸的确认。

为便于交流并顺利执行项目，了解美标非常必要，另外，越来越多的国外项目采用美标设计。

风载为作用在建（构）筑物上的基本荷载之一，控制建（构）筑物的安全。

风载进一步细分为顺风向风载（平行于风向）、横风向风载（垂直于风向）和扭转风载。

顺风向风载在结构设计中最常遇到，所以有必要对中美标准顺风向风载的计算进行对比，找出差异并分析对结果的影响。

1 顺风向风压美标ASCE 7－10《建筑物及其他构筑物最小设计荷载》对于封闭和部分封闭刚性建筑的主要受力体系设计风压为：p＝qGCp－qiGCpi式中：q为风速压力；G为刚性结构阵风系数；Cp为外部压力系数；Cpi为内部压力系数；qi为内压。

高层建筑风振加速度计算、计算案例、风振控制系统性能参数的确定

A.1.3
(A.1.3)
式中：
——迎风面体型系数；
——背风面体型系数；
【条文说明】根据广东省《建筑结构荷载规范》（DBJ 15-101-2014），对于高度超过45m的矩形截面高层建筑，迎风面及背风面体型系数可按下表取值：
D/B
≤1
1.2
2
≥4
迎风面体型系数
+0.8
背风面体型系数
-0.6
-0.5
-0.4
空气密度 也可根据所在地的海拔高度按下式近似估算：
式中： ——海拔高度（m）；
当取 时，式（A.1.1-2）可以转换为：
将上式代入式（A.1.1-1）可得：
A.1.2
(A.1.2)
式中：
——顺风向一阶频率（Hz），可按照《建筑结构荷载规范》（DBJ 15-101-2014）附录F.2近似确定；
【条文说明】峰值因子为与结构自振频率相关的量，根据本公式计算高层结构周期1～7s时对应的加速度峰值因子数值介于3.18～3.74之间，大于国标标准《建筑结构荷载规范》（GB50009）和广东省《建筑结构荷载规范》（DBJ 15-101-2014）峰值因子2.5。
——湍流尺度 在参考高度H处的值（m）；
——建筑顶部H处风速（m/s），按本规程式（A.1.1-2）计算；
——迎风面宽度（m）；
——建筑顶部高度（m）。
A.1.7
(A.1.7)
式中：
——楼层总数；
——第 层质量（kg）；
——第 层顺风向一阶振型系数。
【条文说明】当无法获得实际振型系数 、 、 时，可取 进行计算，其中 为 层高度。
附录A
1 顺风向风振加速度计算
A.1.1
(A.1.1-1)

某景观烟囱顺风向风振响应分析与风振系数确定

(1 School of Civil Engineering , Harbin Institute of Technology , Harbin 150090 , China ; 2 Northeast Electric Power Design Institute , Changchun 130021 , China) Abstract :Based on the finite element model of a landscape chimney by SAP2000 and wind load history , the dynamic responses of the chimney were analyzed using time domain method. Also , wind2induced displacements of chimney’ s first mode were calculated using the frequency domain method , in which the uneven distribution of width and mass was taken into account , and the results are close to the responses from time domain analysis. Both the gust loading factor method and the inertial wind load method were selected to calculate the gust response factors along the height of chimney , and distribution of wind2induced displacements by the equivalent static wind loads based on the above methods agrees well with the exact displacements. So the two methods can both acquire reasonable gust response factors and realize the displacements equivalence of chimney , though distributions of the gust response factors have great difference. Lastly , the gust response factors calculated from the gust loading factor method are recommended for reference of practical design , as for convenience of application. Keywords :gust response factor ; chimney ; time domain ; frequency domain ; gust loading factor ; inertial wind load
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∫H
M13 = m( z)φ21 ( z) dz 0
m( z) ,B ( z) ,μs ( z) 和 v ( z) 分别表示 z 高度处的分布质
量、迎风面宽度、风荷载体型系数和平均风速 , 其中
m( z) ,B ( z) 反映了结构的不规则特性。
采用 Davenport 风速谱 ,即
Sv ( n)
=
高度各测点的顺风向峰值位移响应 ,其表达式为 :
R^ ( z) = R ( z) + gσR ( z)
(3)
式中 :R ( z) ,σR ( z) 分别表示顺风向位移响应的均值和均
方根 ; g 为峰值因子 ,通常取 310～410[8] ,此处取 315。
该烟囱为一具有独特外形且质量刚度分布不均匀 的高耸结构 ,其风荷载的计算 (包括风荷载体型系数和 风振系数的确定) 不能利用现有规范公式[1 ,2] 直接得 到 。风 荷 载 体 型 系 数 通 过 CFD ( Computational Fluid
Dynamic) 方 法 获 得[3] , 而 风 振 系数的确定则必须对其进行风 振响应分析 。
采用线性滤波法中的自回归模型 AR[6] 模拟了烟 囱结构多变量互相关的脉动风速时程 ,水平风速谱采 用 Davenport 谱 , 空 间 相 关 函 数 采 用 Rz ( z , z′) = exp ( - | z - z′| Π60) 。
烟囱所处的地面粗糙度类别为 B 类 ,50 年一遇的 基本风压为 0145kNΠm2 ,文[ 3 ] 给出的烟囱不同分区的 风荷载体型系数见图 2 。 11112 结构有限元模型的建立
4 kx2 v210
n (1
+
x2 )
4 3
其中 v10 = 261833mΠs ,地面粗糙度系数 k 取 01015。采用 的空间相关函数与时域分析时相同。应该注意的是 ,式
(2) 在计算位移响应时考虑了一阶振型的背景响应和共
振响应两部分 。
113 风振位移响应分析
图 5 给出了利用时域方法和频域方法得到的烟囱沿
高耸结构的顺风向风振响 应分析一般采用以振型分解法 为基础的频域方法和以直接积 分法 为 基 础 的 时 域 方 法[4 ,5] 。 时域方法根据风荷载的统计特 性进行计算机随机模拟 , 人工 生成具有特定频谱密度和空间 图 1 烟囱效果图 相关函数的风速时程 , 并通过 准定常假定转化为风压时程作用在结构上 ,然后利用 逐步积分法计算结构的动力响应 。频域方法是将脉动 风速谱密度转化为广义风荷载谱 ,利用传递函数建立
(1 School of Civil Engineering , Harbin Institute of Technology , Harbin 150090 , China ; 2 Northeast Electric Power Design Institute , Changchun 130021 , China)
采用的时域方法为随机模拟时程分析法 ,其主要 步骤为 :1) 根据风荷载的统计特性进行计算机模拟 ,人 工生成具有特定频谱密度和空间相关性的风速时程 v( x , y ,z , t) ,并转化为风压时程作用在结构上 ,作为 激励样本 ;2) 根据激励样本在时域内采用 Newmark 逐 步积分法对结构运动方程进行求解 ,得到每一时间步 的节点位移 u ( t) 、速度 u ( t) 和加速度 ¨u ( t) ;3) 对结构 响应结果进行统计 ,得到各种响应的均值 、均方根和响 应的频谱特性 。 11111 风荷载的模拟
第 40 卷 第 2 期
建 筑 结 构
2010 年 2 月
某景观烟囱顺风向风振响应分析与风振系数确定
张文元1 , 郑朝荣1 , 张耀春1 , 武 岳1 , 孙雨宋2
(1 哈尔滨工业大学土木工程学院 ,哈尔滨 150090 ; 2 东北电力设计院 ,长春 130021)
[摘要 ] 采用 SAP2000 软件建立了某景观烟囱的结构分析模型 ,输入风荷载时程进行风振响应分析 。考虑了烟囱 复杂外形和不规则质量分布 ,利用频域方法计算了烟囱第 1 阶振型的风振位移响应 ,并与时域方法的结果进行对 比 ,二者吻合较好 。分别采用阵风荷载因子法和惯性风荷载法计算了烟囱结构不同高度处的风振系数 ,并将基于该 两种风振系数的等效静力风荷载分别作用在烟囱结构上 ,计算其顺风向位移响应并与精确值进行比较 ,结果表明 其位移分布均符合真实响应 。因此虽然上述两种方法得到的风振系数沿高度分布差别较大 ,但均能实现烟囱的风 振位移等效 ,均是合理的 。为工程应用方便 ,采用基于阵风荷载因子法的风振系数供结构设计使用 。 [ 关键词 ] 风振系数 ; 烟囱 ; 时域 ; 频域 ; 阵风荷载因子法 ; 惯性风荷载法
烟囱在低频部分的振动较为明显 ,且具有显著的峰值
共振 ,共振区发生在结构的第 1 阶振型附近 。
112 频域分析法
利用振型分解法 ,在阻尼也符合主振型正交性的
假定下 ,无限自由度体系的运动方程可表示为 :
¨qj ( t) + 2ζj (2πnj ) qj ( t) + (2πnj ) 2 qj ( t) = Fj ( t) (1)
附着在烟囱外表面的装饰条的刚度很小 ,有限元 建模时忽略其刚度贡献 ,仅考虑其质量对结构动力特 性的影响 。钢内筒不提供水平刚度 ,计算时也不考虑 其影响 ,但将其伸出外筒部分 (205～210m 高度处) 的 风荷载转化为集中力作用在外筒顶部 。钢筋面积按刚 度等效的原则 ,折算为混凝土的面积 ; 阻尼比取 0105 。 分别采用有限元软件 SAP2000 和 ABAQUS 建立了该烟 囱结构的分析模型以互相验证 ,发现二者的结构动力 特性和风振响应非常接近 。
0 前言 某发电厂景观烟囱是一高 210m 的钢内筒烟囱 。
钢筋混凝土外筒高 205m ,筒顶外直径 11m ;高度 195～ 185m 为一圆台 ,其下部直径为 16m ;185～165m 为一直 径为 16m 的圆柱体 ;165～155m 为一倒立的圆台 ,其下 部直径为 11m ;155～60m 为圆柱体 ;高度 60m 以下放坡 8 %至烟囱底部 ,底部外直径 2016m。由于外观装饰的 要求 ,烟囱表面在高度 60～195m 布置不同形状的装饰 条( 图 1 ) 。筒 体 壁 厚 由 上 至 下 从 250mm 变 化 到 700mm ,90m 以下采用 C40 混凝土 ,以上采用 C30 混凝 土 。纵向配筋 :0 标高处外侧为 ⊥○28 @150 ,内侧为 ⊥○22 @150 ,以上逐级降低为 ⊥○12 @150 。
对于高耸结构 ,一般第 1 阶振型对结构的振动起
控制作用 ,故求解式 (1) 得到的位移响应均方根为[7] :
∫ σy1 ( z)
=[
∞
1
Sy1 ( z , n) d n ] 2
0
∫∫∫∫ =
ρ
M13
[
H 0
H 0
B ( z) 0
B ( z′)
μs ( z)μs ( z′) v ( z) v ( z′)φ1 ( z)φ1 ( z′)
作者简介 :张文元 ,博士 ,副教授 ,Email :hitzwy @1631com。
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位移响应谱密度与广义风荷载谱之间的关系式 ,进而 得到结构的均方根响应 。
分别采用时域方法和频域方法研究该景观烟囱的 风振响应 ,并利用阵风荷载因子法和惯性风荷载法计 算烟囱结构不同高度处的风振系数 ,可为工程设计提 供参考 。 1 烟囱结构风振响应分析 111 时域分析法
Analysis on along2wind2induced responses and determination of gust response factor on a landscape chimney
Zhang Wenyuan1 , Zheng Chaorong1 , Zhang Yaochun1 , Wu Yue1 , Sun Yusong2
图 3 (a) 给出了用 SAP2000 建立的有限元模型及其 单元划分示意图 ,结构分析时考虑了几何非线性的影 响 。模态 分 析 得 到 了 烟 囱 结 构 的 前 6 阶 振 型 ( 图 3 (b) ) , 其 对 应 的 自 振 频 率 分 别 为 01312 , 1147 , 31512 , 61314 ,91885 ,131693Hz 。 11113 频谱特性分析
在进行时间步长和时间总长效应研究的基础上 , 采用时间步长Δt = 013s 、时间总长为 600s 的风荷载样 本进行风振响应分析 。计算得到烟囱顶点顺风向位移 响 应和基底弯矩响应的功率谱曲线见图4 ,由图可见 ,
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图 2 风荷载体型系数
图 3 烟囱有限元模型和前 6 阶振型
图 4 顶点位移与基底弯矩功率谱曲线
0
∫∞
·
H1 ( in)
2 Rxz ( l , k , n) Sv ( n) d nd xd x′d zd z′] 12
(2)
0析所
得 ,经拟合可得其表达式为 :φ1 ( z) = ( zΠH) 21022 , M13 为广
义质量 ,其表达式为 :
Abstract :Based on the finite element model of a landscape chimney by SAP2000 and wind load history , the dynamic responses of the chimney were analyzed using time domain method. Also , wind2induced displacements of chimney’s first mode were calculated using the frequency domain method , in which the uneven distribution of width and mass was taken into account , and the results are close to the responses from time domain analysis. Both the gust loading factor method and the inertial wind load method were selected to calculate the gust response factors along the height of chimney , and distribution of wind2induced displacements by the equivalent static wind loads based on the above methods agrees well with the exact displacements. So the two methods can both acquire reasonable gust response factors and realize the displacements equivalence of chimney , though distributions of the gust response factors have great difference. Lastly , the gust response factors calculated from the gust loading factor method are recommended for reference of practical design , as for convenience of application. Keywords :gust response factor ; chimney ; time domain ; frequency domain ; gust loading factor ; inertial wind load