自立式鋼煙囪抗渦振設計及程序編制

楊洋 高非 曾青 曹險峰

摘要：圓截面高聳結構易引起渦振，本文總結了自立式鋼煙囪的抗渦振設計方法，指出了不同雷諾數情況下，鋼煙囪的控制工況，并對其結構及荷載進行了歸納，實現了自立式鋼煙囪的參數化設計，并編制了專用的設計程序，為今后的設計提供了工具和參考。

關鍵詞：自立式鋼煙囪；渦振；參數化設計

Abstract: circular cross section tower structure easy cause vortex vibration, this paper summarizes the free-standing steel chimney vibration resistance of the vortex design method, and points out that the different Reynolds number, the control condition steel chimney, and its structure and load were summarized, realize the free-standing steel chimney parametric design, and prepare the special design program for future design provides tools and reference.

Keywords: free-standing steel chimney; Vortex vibration; Parametric design

中圖分類號： TU233 文獻標識碼：A 文章編號：

0 前言

圓形截面的結構在工業(yè)建筑中，最常見的就是煙囪。當風以一定的速度吹向煙囪，特別是吹向剛度較小的自立式鋼煙囪時，平行的氣流在鋼煙囪的兩側交替形成旋渦，旋渦的出現與消失引起結構兩側壓力的改變（如圖1所示），迫使鋼煙囪發(fā)生垂直于風向的橫向振動，由于其形成于背風面渦流有規(guī)律地脫落，橫風向的振動又稱渦振。渦振是鋼煙囪結構經常需要面對的問題，如果處理不當，渦振引起鋼煙囪結構共振，將導致煙囪失穩(wěn)，甚至毀滅性的破壞。

圖1渦流脫落示意圖

為了避免或減輕渦振，關鍵就是鋼煙囪結構自振周期的控制，而目前規(guī)范提供的公式無法準確計算結構自振周期。本文繼承前人的研究成果，將有限元分析方法應用于鋼結構煙囪的設計，并歸納得出鋼結構煙囪抗渦振設計的要點，進而進行結構參數化，并編制相關程序，進而輔助工程設計。

1 抗渦振設計方法

1.1 計算方法總結

針對渦振，《建筑結構荷載規(guī)范》（2006年版）（GB50009-2001）及《煙囪設計規(guī)范》（GB50051-2002）都有論述。

雖然規(guī)范確定了計算方法，但使用起來仍然不方便。事實上，荷載規(guī)范在計算渦振時，沒有明確“鎖住區(qū)”的作用；而煙囪規(guī)范在考慮“鎖住區(qū)”的作用時，又沒有統一判斷指標，例如5.2.4-1式，即本文的（1）式，是用風壓來判斷“鎖住區(qū)”大小的，而5.2.5-1式，即本文的（2）式，是用風速來判斷“鎖住區(qū)”作用的。本文結合規(guī)范進行推導，合理化統一判斷指標，將設計方法及步驟歸納如下：

（1）

（2）

（1）第一步，求自振周期

進行模態(tài)分析，考慮內襯及煙道孔洞對周期的影響，其中內襯在實際使用中經常發(fā)生破壞，因此需考慮其自重的作用，而不應考慮其對剛度的作用，即使考慮，也必須再計算不考慮內襯剛度的情況。讀取1~4階振型的周期。

（2）第二步，計算雷諾數

根據不同的振型，計算雷諾數的大小。渦流的產生與煙囪的外形尺寸、風速等因素有關，綜合反映在雷諾數Re。根據雷諾數判斷結構可能發(fā)生哪種類型的風振。

① 當雷諾數<3X105時，結構發(fā)生亞臨界的微風共振。此時，結構設計中應從構造上，采取防振措施，或加強結構剛度，使臨界風速不小于15m/s；

② 當雷諾數在3X10 5~3.5X10 6時，結構發(fā)生超臨界的風振，振動沒有規(guī)律，不會發(fā)生共振；

③ 當雷諾數>=3.5X10 6時，結構可能發(fā)生跨臨界的強風共振。

（3）第三步，計算煙囪頂部風速

通過計算頂部風速和結構在不同振型下的臨界風速，判斷結構是否可能發(fā)生強風共振。

① 當VH<（1/1.2）Vcr時，結構頂部的風速達不到結構振動所需的擾力，結構不會發(fā)生共振；

② 當VH>=（1/1.2）Vcr時，結構將發(fā)生共振。

（4）第四步，計算風振的效應

計算橫向風振效應，并與順風效應組合。

① 當VH>=Vcr（400+βh2）1/4時，由于設計風速時，鎖住區(qū)的起點高度和終點高度均很小，因此強風共振區(qū)非常短，而小于設計風速時，組合效應值又小于順風向的設計值，所以不考慮橫向風振作用；

② 當1.3 Vcr <=VH

③ 當1/1.2Vcr<=VH<1.3 Vcr時，煙囪的鎖住區(qū)在煙囪結構上半段，此時驗算橫向風振作用的起點高度為：H1=H/（VH / Vcr）1/a。

2 結構參數化

通過前文對多個鋼煙囪的分析，可將其結構參數歸納為：外形參數、細部參數、荷載參數。具體的參數按照表1的格式存儲。將煙囪分段，變截面處、有環(huán)向加勁的位置均為分段點，各分段點輸入半徑和壁厚，從而建立起煙囪的整體模型。最終，實際工程被完整地參數化。

3程序設計

3.1 程序原理

程序流程如圖2所示，用戶在UI界面上輸入、查詢、修改數據后，經過參數合理性檢驗，被程序編譯為通用有限元軟件ANSYS能夠識別的宏命令文件。ANSYS按照宏命令文件執(zhí)行，最終生成ANSYS數據庫和文本計算書。程序數據流如圖3所示。

使用Visal Basic開發(fā)UI界面，完成以下功能：

（1）結構參數的輸入。檢驗輸入數據合理性、按項目名稱將結構參數存儲到Access數據庫。

（2）提供項目查詢。通過項目名稱查詢項目，自動在結構參數界面讀入被查詢的項目的詳細數據，可以修改并保存為新的項目。

（2）生成接口文件 *.mac 。

（3）啟動Ansys程序。通過Shell自動讀入*.mac進行計算。

其中mac宏命令完成以下功能：

（1）完成結構建模、計算、讀取結果數據。

（2）輸出簡要計算書。

3.2 程序假定及簡化

為方便程序設計，計算中采取了一些簡化處理措施，包括如下幾點：

（1）風荷載的方向，只從0度、45度、90度三個方向吹入；

（2）脈動影響系數取大值，A，B，C，D類分別為0.89，0.90，0.93，1.01；

（3）地震力按分段分別計算，并施加在每段上部；

（4）橫向風振效應計算考慮前四階振型。