超高耸烟囱的风速时程分析

・３４・　第３７卷第１期　２　０　１　１年１月　山　西　建　筑　

ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．１　

Ｊａｎ．２０ｌ１　

文章编号：１００９—６８２５Ｉ２０１１）Ｏｌ一００３４—０２　超高耸烟囱的风速时程分析　

唐　伟　马张永　吕晓东　摘　要：采用谐波叠加法对高度为９５０　ｍ的超高耸烟囱进行了风速时程模拟，并对烟囱进行了瞬态动力学计算，得到了　烟囱风振响应，最后计算了烟囱的位移风振系数，结果表明：西缪谱在３５０　ｍ高度范围内适用于高耸结构，烟囱的风振系　数随高度增大而增大。　关键词：超高耸烟囱，风速时程模拟，风振响应，风振系数　中图分类号：ＴＵ７６１．２　文献标识码：Ａ　

德国著名结构专家、斯图加特大学教授Ｊ．Ｓｃｈｌａｉｃｈ提出的太　阳能热气流发电系统…是一项利用太阳能集热以及烟囱效应驱　动风力涡轮带动发电机发电的新系统，超高耸烟囱是该系统最重　要的结构构件之一，直接关系到这个系统能否在工程中实现。本　文针对其中的超高耸烟囱进行了风速时程模拟，并在此基础上对　结构进行风振响应分析，最后计算了结构各点的风振系数。　１　模型概况　烟囱的高度为９５０　ｍ，直径为１１５　ｍ，材料假定为全钢结构，烟　囱筒壁的厚度参考文献［２］，底部厚度取０．３　ｍ，顶部厚度取０．１　ｍ。　基础约束假定为固端约束。采用有限元软件ＡＮＳＹＳ建模计算，　烟囱属于典型的薄壳结构，建模时选用Ｓｈｅｌｌ６３单元来模拟。　２风速时程模拟　在进行风速时程模拟时，将模型沿高度均分为３８份，共计　３９个特征点，相邻点之间间隔为２５　ｍ。时程模拟运用ＭＡＴＬＡＢ　编制程序，采用时域分析方法中的谐波叠加法　并在计算中引入　快速傅里叶变换（ＦＦｒ）来提高计算效率；计算中用到的参数取值如　下：目标功率谱选择美国西缪谱（Ｓｉｍｉｕ），１０　ｍ高度处平均风速取　３２．５７６　ｍ／ｓ，Ａ类地面。地面粗糙度系数　＝０．１２，地面阻力系数ｋ　按照下式取值：ｋ：［Ｋ／Ｉｎ（ＩＯ／Ｚｏ）］　，经计算ｋ取值为０．００１　８９，自　回归阶数取为４阶，时间步长Ａｔ＝０．２５　ｓ，时距取２０４．８　Ｓ。　选取烟囱上具有代表性的点绘制其水平脉动风速时程曲线，　并将模拟的风速谱与目标谱绘成曲线进行比较，见图１。由图１　可以看出，模拟功率谱与目标谱基本吻合，说明采用的随机过程　模拟理论是可靠的，这也证明了风速时程模拟的正确性。需要指　

的实测有效板厚ｈ。。均小于设计所需板的最小有效计算高度ｈ位。　度近似计算。　因此可以得出以下结论：经过弹塑性计算方法的复核，ＬＢ１满足　设计要求，不需进行补强处理；ＬＢ２，ＬＢ３不满足设计要求，需进行　加固补强处理。　３结论和启示　在施工过程中，在板支座负筋位置未按规定规范设置“钢筋　马凳”，导致板支座负筋踩踏下陷的情况比较普遍，由此引起的混　凝土板结构安全隐患应引起足够重视。通过这个工程实例的计　算分析，我们可以看到：对类似这样的混凝土双向结构板质量问　题，在原设计采用弹性理论的情况下，利用塑性理论对板的结构　安全进行复核，可以有效利用原设计中板钢筋的富余强度，减少　问题板的加固范围，节约成本。但应该指出，上述分析过程中，是　在对实际情况的某些方面进行简化的前提下得出的结论，与实际　情况相比，存在一些无法解决的问题。具体表现在以下方面：　１）上述分析中未考虑实际板由于支座负筋保护层和板厚不　均带来的刚度变化问题。弹塑性复核计算时，简化取板的平均厚　２）上述分析中按照设计规范规定的荷载引起的裂缝计算，理　论上板表面满足规范裂缝控制要求，但由于实际结构板保护层厚　度较大，未采取表面抗裂措施，结构板表面仍可能出现裂缝。　３）上述分析仅是从结构板的极限状态（承载力和正常使用）　方面进行复核，无法满足江苏省ＤＧＪ　３２／Ｊ１６－２００５住宅工程质量　通病控制标准中对板厚构造要求的规定。　参考文献：　［１］　ＧＢ　５００１０－２００２，混凝土设计规范［Ｓ］．　［２］　柳炳康．钢筋混凝土双向板塑性分析的经济设计［Ｊ］．合肥　工业大学学报，１９９４，１７（４）：１７—１８．　［３］　ＪＧＪ／Ｔ　１５２—２００８，混凝土中钢筋检测技术规程［Ｓ］．　［４］　龙驭球，包世华．结构力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，　１９９６．　［５］　《建筑结构静力计算手册》编写组．建筑结构静力计算手册　［Ｍ］．第２版．北京：中国建筑工业出版社，１９９８．　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｔｗｏ－ｗａｙ　ｓｌａｂ　ｗｉｔｈ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ＺｏＵ　ＸＵ－ｈｕｉ　ＹＡＮ　Ｈａｉ－ｈｕａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｅｘａｍｐｌｅ．ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｃａｕｓｅｄ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｌａｂ　ｉｓ　ｓｕｂｓｉｄｅｄ　ｏｆ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｓｔｅｅｌ　ｉｎ　ａ—　ｂｕｔｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｈｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｃｏｕｎｔ　ｏｆ　ｓｌａｂ．Ｕｓｉｎｇ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｌａｔｅ　ｈｅｉｇｈｔ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒ－　ｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｌａｂ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｔｗｏ—ｗａｙ　ｓｌａｂ，ｐｌａｓｔｉｃ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｈｅｉｇｈｔ　

收稿日期：２０１０—０９一ｌ１　作者简介：唐伟（１９８０一），男，工程师，浙江东南网架股份有限公司，浙江杭州３１１２０９　马张永（１９８５一），男，硕士，助理工程师，浙江东南网架股份有限公司，浙江杭州３１１２０９　吕晓东（１９８２一），男，硕士，助理工程师，青岛绿城建筑设计有限公司，山东青岛２６６０００　第３７卷第１期　２　０　１　１年１月　唐伟等：超高耸烟囱的风速时程分析　・３５・　

出的是，由于本文结构最高点高度达９７２．５　ｍ，远远超出大气边界　层高度，对于３５０　ｍ高度以上的风速和湍流分布目前还不明确，　西缪风谱在这一高度以上的准确性也有待研究，从模拟的结果来　看，高度越高，脉动风速的均值偏离零点的程度也越大。　３风振响应分析　风振响应时程分析是通过有限元软件ＡＮＳＹＳ中结构瞬态动力　学分析来实现的，计算单元选用定义截面尺寸的梁单元（Ｂｅａｍ１８８），　整个模型沿高度等分为３８份，共计３９个节点。首先通过ＭＡＴ．　ＬＡＢ编制程序生成随机风速记录，然后根据各节点所辖面积和相　应的风载体型系数计算出节点风荷载，再通过程序将风荷载写成　ＡＰＤＬ语言形式供ＡＮＳＹＳ软件直接读取并进行脉动风作用下的　瞬态动力学计算，最后编制了提取位移和加速度时程响应的程　序。　选取节点２０绘制了位移时程曲线和加速度时程曲线，见图２。　

时间／ｓ　频率　ａ）风速时程曲线（节点９）ｈ）对比曲线（节点９）　图１典型节点处风速时程曲线及其对比曲线　

时间，ｓ　时间／ｓ　ａ）位移时程曲线　ｂ）加速度时程曲线　图２节点２Ｏ的位移与加速度时程曲线　

节点２０位于烟囱中部，其高度为Ｈ＝４９７．５　ｍ，该点的位移峰　值为０．１９２　４　ｍ，位移均值为０．０８６　８　ｍ。　

轻　１　

匿　

节点编号　图３位移风振系数曲线　

４风振系数　位移风振系数是一种效应风振系数，是采用结构最大位移反　应与平均位移反应之比作为风振系数：　，，　口＝　（１）　

Ｕ　ａ，　

其中，Ｕ　为风荷载引起的结构最大位移；　为风荷载引起　

的结构平均位移。　由此计算的位移响应包含了风振的背景分量和共振分量，因　此概念上比较清晰，本文采用此方法计算风振系数。各点的位移　风振系数计算结果见图３。　由图３可知：随着高度上升，风振系数逐渐增大，其变化范围　在２．１７８～２．３４１之间，总体变化不是很大。　５结论及展望　本文对超高耸烟囱风速时程模拟，并在此基础上对结构进行　风振响应分析，得出以下结论：　１）西缪谱对高耸结构风荷载的模拟基本上是准确的，能体现　出风沿高度范围内的明显变化，但西缪谱在高度超过３５０　ｍ范围　的准确性还有待进一步的研究。　２）快速傅里叶变换能够大幅度提升计算效率，节省大量时　间。　３）结构最大位移出现在烟囱顶点，最大位移值为０．５５９　３　ｍ；　最大加速度值为０．１９３　３　ｍ／ｓ　。　４）沿烟囱高度范围内风振系数逐渐增大，变化幅度在２．１７８—　２．３４１之间。　本文首次对高度近千米的超高耸结构进行了风速时程分析，　模拟结果既为国内外学者在此领域的进一步研究提供了有益的　依据，也提出了目前风工程领域在高度超过３５０　ｍ结构的时程模　拟中可能存在的不足，本文模拟计算得到的烟囱加速度，位移以　及风振系数值还可以为此类结构的结构计算和设计提供依据。　参考文献：　［１］　ＳＣＨＬＡＩＣＨ　Ｊ．Ｔｈｅ　ｓｏｌａｒ　ｃｈｉｍｎｅｙ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｕｎ［Ｍ］．　Ｇｅｒｍａｎｙ　Ｍａｕｒｅｒ　Ｃ．Ｇｅｌｓｉｌｌｎｇｅｎ，ｉ　５．　［２］Ｊ　Ｓｃｈｌａｉｃｈ．Ｔｅｎｓｉｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｓｏｌａｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｉｅ，１９９９（２１）：６５８—６６８．　［３］　黄本才．结构抗风分析原理及应用［Ｍ］．上海：同济大学出　版社．２００１．　［４］　克拉夫，彭　津．结构动力学［Ｍ］．第２版．北京：高等教育　出版社．２００５．　［５］　王之宏．风荷载的模拟研究［Ｊ］．建筑结构学报，１９９４，１５　（１）：４４－５２．　［６］　刘锡良，周　颖．风荷载的几种模拟方法［Ｊ］．工业建筑，　２００５，３５（５）：８１—８４．　［７］　邓洪洲，张永飞，陈强，等．输电塔风振响应研究［Ｊ］．特种　结构，２００８，２５（２）：９—１３．　

Ｗｉｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒ—ｈｉｇｈ　ｃｈｉｍｎｅｙ　ＴＡＮＧ　Ｗｅｉ　ＭＡ　Ｚｈａｎｇ・－ｙｏｎｇ　ＬＶ　Ｘｉａｏ－・ｄｏｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ａ　９５０　ｍ　ｓｕｐｅｒ－ｈｉｇｈ　ｃｈｉｍｎｅｙ．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃａｌ—　ｃｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ａｎｄ　ｗｉｎｄ．ｉｎｄｕｃｅｄ　ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｗｉｎｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈｉｍｎｅｙ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｔ　ｌａｓｔ．