強(qiáng)風(fēng)作用下大型雙曲冷卻塔風(fēng)致振動(dòng)參數(shù)分析

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51208254）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK2012390）；博士后科研基金資助項(xiàng)目（2013M530255；1202006B）；南航科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（NN2012024；56YAH12010）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：柯世堂（1982-），安徽池州人，南京航空航天大學(xué)講師，博士

摘要：基于作者已提出的大型冷卻塔風(fēng)振計(jì)算方法（一致耦合法），結(jié)合風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)獲得的表面氣動(dòng)力模式，分析了結(jié)構(gòu)本身因素和外界干擾對(duì)強(qiáng)風(fēng)作用下冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的影響，對(duì)不同動(dòng)力特性及阻尼比的冷卻塔模型進(jìn)行了風(fēng)振響應(yīng)背景、共振、耦合項(xiàng)及風(fēng)振系數(shù)的精細(xì)化數(shù)值計(jì)算，對(duì)比并初步探索了周邊干擾下大型冷卻塔的風(fēng)振機(jī)理.發(fā)現(xiàn)了特征尺寸、阻尼比和周邊干擾對(duì)冷卻塔風(fēng)振響應(yīng)的影響規(guī)律，為進(jìn)一步理解冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象，避免不利共振的產(chǎn)生及采取相應(yīng)的控制措施提供了有益的結(jié)果.

關(guān)鍵詞：參數(shù)分析；大型雙曲冷卻塔；風(fēng)洞試驗(yàn)；風(fēng)致振動(dòng)；一致耦合法

隨著我國(guó)冷卻塔建設(shè)日趨高大化，結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)安全性問(wèn)題已成為制約超大型冷卻塔實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展而亟待突破的瓶頸而現(xiàn)有冷卻塔設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范和各大設(shè)計(jì)研究機(jī)構(gòu)的相關(guān)資料已不能滿足其設(shè)計(jì)需要，急需開(kāi)展相關(guān)研究補(bǔ)充工程建設(shè)的需要

自從1965年11月英國(guó)渡橋電廠8座高115 m的冷卻塔群中處于背風(fēng)口的3座塔在5年一遇的風(fēng)速中倒塌，國(guó)際上開(kāi)展了對(duì)冷卻塔的抗風(fēng)研究工作，一直持續(xù)到20世紀(jì)90年代末而我國(guó)對(duì)于冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究始于1983年北京大學(xué)孫天風(fēng)教授對(duì)于茂名冷卻塔的表面風(fēng)壓實(shí)測(cè)工作主要涉及到的研究領(lǐng)域有：冷卻塔結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載分布特征、群塔干擾特性、結(jié)構(gòu)隨機(jī)風(fēng)振響應(yīng)、等效靜力風(fēng)荷載這些研究成果較好地指導(dǎo)了超大型冷卻塔的工程設(shè)計(jì)和建設(shè)

事實(shí)上，冷卻塔的風(fēng)振響應(yīng)取決于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和外部荷載激勵(lì)，例如結(jié)構(gòu)特征尺寸和阻尼比的變化會(huì)影響平均、背景和共振響應(yīng)的大小，或?qū)︼L(fēng)振系數(shù)的數(shù)值和分布特征產(chǎn)生影響，且當(dāng)存在周邊干擾時(shí)，結(jié)構(gòu)風(fēng)振機(jī)理會(huì)更加復(fù)雜而國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究中較少涉及冷卻塔風(fēng)振的參數(shù)分析鑒于此，本文基于作者已提出的大型冷卻塔風(fēng)振計(jì)算方法，結(jié)合風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)獲得的表面氣動(dòng)力模式，分析了各種因素對(duì)強(qiáng)風(fēng)作用下冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的影響，最終歸納并探索各參數(shù)對(duì)風(fēng)振響應(yīng)的影響機(jī)理

1風(fēng)振計(jì)算方法

研究表明，大型冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)具有多荷載形態(tài)、多振型參與和多耦合效應(yīng)3個(gè)特征，傳統(tǒng)的完全二次型方法不能全面準(zhǔn)確地分析其作用機(jī)理，而采用背景和共振分開(kāi)求解的三分量法忽略了背景和共振之間的交叉項(xiàng)因此，作者于2011年提出了考慮完全背景、共振及背景和共振模態(tài)之間交叉項(xiàng)的一致耦合方法（簡(jiǎn)稱CCM）來(lái)求解強(qiáng)耦合柔性結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載，并成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多座大型冷卻塔（高度≥165 m）和大跨度空間結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析圖1給出了CCM方法的計(jì)算流程圖，限于篇幅及主題，不再重復(fù)介紹，具體推理過(guò)程可詳見(jiàn)文獻(xiàn)[9]和[10]

2結(jié)構(gòu)基頻的影響

21算例說(shuō)明

考慮到規(guī)范只給出了針對(duì)165 m以下的冷卻塔風(fēng)振系數(shù)值，而在建或?qū)⒔ǖ睦鋮s塔很多已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這一高度，有必要針對(duì)不同高度冷卻塔的風(fēng)振響應(yīng)特征進(jìn)行比較研究

一般來(lái)說(shuō)，冷卻塔高度越大結(jié)構(gòu)越柔，相應(yīng)地基頻越低鑒于此，本節(jié)給出了3個(gè)不同特征尺寸的國(guó)內(nèi)外電站實(shí)際冷卻塔工程項(xiàng)目，均在同濟(jì)大學(xué)TJ3風(fēng)洞進(jìn)行了剛體測(cè)壓試驗(yàn)，詳細(xì)的風(fēng)洞試驗(yàn)介紹分別見(jiàn)文獻(xiàn) [5]，[9]和[11]，計(jì)算加載的風(fēng)荷載氣動(dòng)力模式均為各個(gè)塔型對(duì)應(yīng)的非定常激勵(lì)，結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)如下

算例1塔頂高度為155 m，塔頂直徑為73 m，喉部高度為119 m，喉部直徑為68 m，進(jìn)風(fēng)口高度為106 m，直徑為114 m，人字柱采用46對(duì)直徑為11 m的圓柱結(jié)構(gòu)基頻為092 Hz.

算例2塔頂高度為177 m，塔頂直徑為86 m，喉部高度為75 m，喉部直徑為133 m，進(jìn)風(fēng)口高度為135 m，直徑為122 m，人字柱采用48對(duì)直徑為13 m的圓柱結(jié)構(gòu)基頻為082 Hz.

算例3塔頂高度為215 m，喉部高度為160 m，零米高度處直徑170 m，淋水面積達(dá)18 300 m2，人字柱采用48對(duì)直徑為18 m的圓柱結(jié)構(gòu)基頻為068 Hz

22參數(shù)分析

表1列出了3個(gè)算例典型節(jié)點(diǎn)風(fēng)振響應(yīng)各分量及總脈動(dòng)風(fēng)振響應(yīng)、峰值因子和風(fēng)振系數(shù)其中風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中： T為最大值相應(yīng)的時(shí)距，我國(guó)荷載規(guī)范規(guī)定平均風(fēng)的時(shí)距為10 min，因此T取600 s，γ為歐拉常數(shù)，通常取0577 2，v為水平跨越數(shù)

1） 隨著塔高的不斷增大，結(jié)構(gòu)的基頻逐漸減小，盡管殼體的壁厚在增大、混凝土強(qiáng)度在提高，但從整個(gè)結(jié)構(gòu)體系來(lái)看愈發(fā)輕、柔，其引起脈動(dòng)風(fēng)振響應(yīng)也在增大，且在平均響應(yīng)較大的結(jié)點(diǎn)處其增幅稍大于平均響應(yīng)的增幅

2） 從脈動(dòng)響應(yīng)的一欄中可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于基頻較低的超大塔來(lái)說(shuō)，共振響應(yīng)占明顯的主導(dǎo)地位，背景和交叉項(xiàng)影響相對(duì)較弱.而隨著結(jié)構(gòu)基頻的增大，盡管脈動(dòng)響應(yīng)還是以共振分量為主，但背景響應(yīng)所占的比重逐漸增大，說(shuō)明對(duì)于基頻較低的冷卻塔結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，風(fēng)荷載的準(zhǔn)靜力貢獻(xiàn)更加突出，高階模態(tài)的背景響應(yīng)不能忽略

3） 隨著基頻的降低，表中列出的4個(gè)結(jié)點(diǎn)處其風(fēng)振系數(shù)變化范圍也不相同，例如下部結(jié)點(diǎn)1中的風(fēng)振系數(shù)變化幅度要大于結(jié)點(diǎn)4分析其原因是：由于結(jié)構(gòu)基頻的降低必然會(huì)增大風(fēng)振響應(yīng)的動(dòng)力放大作用，從而使得脈動(dòng)風(fēng)振響應(yīng)的增量大于平均響應(yīng)的增量，但從另一個(gè)角度看，基頻的降低伴隨著結(jié)構(gòu)的環(huán)向和子午向尺寸的增大，這樣導(dǎo)致表面脈動(dòng)風(fēng)荷載的空間相關(guān)性減小，使得風(fēng)振響應(yīng)的增幅相對(duì)降低這樣兩個(gè)因素對(duì)風(fēng)振響應(yīng)的影響正好相反，從而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的基頻變化時(shí)某些節(jié)點(diǎn)風(fēng)振系數(shù)的改變較小當(dāng)然本文僅是給出了幾個(gè)典型節(jié)點(diǎn)的對(duì)比結(jié)果，至于其他塔型的更多節(jié)點(diǎn)的風(fēng)振系數(shù)變化幅度則需要具體研究

3阻尼比的影響

大型冷卻塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)以共振分量為主，而阻尼比顯著影響共振分量和交叉項(xiàng)分量的大小，其對(duì)平均響應(yīng)和背景響應(yīng)均沒(méi)有影響，因此勢(shì)必影響總風(fēng)振響應(yīng)和風(fēng)振系數(shù)鑒于此，本小節(jié)采用不同的阻尼比進(jìn)行計(jì)算，分析其對(duì)算例3的風(fēng)振響應(yīng)影響需要注意的是：在文中的等值線圖中x軸表示環(huán)向變化角度，其定義0°為迎風(fēng)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)定義為負(fù)值，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正值；y軸表示子午向變化高度

考慮到冷卻塔是典型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其阻尼比的取值范圍為0%～5%，在這里分別取001， 002， 0035和005，其他計(jì)算參數(shù)不變圖2和圖3給出了不同阻尼比下整個(gè)殼體結(jié)構(gòu)的共振響應(yīng)和交叉項(xiàng)響應(yīng)的等值線分布圖

經(jīng)對(duì)比分析，可得如下結(jié)論：

1） 隨著阻尼比的變大，結(jié)構(gòu)的共振響應(yīng)數(shù)值明顯減小，其峰值從94 mm降到45 mm，這是由于超大塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)中共振分量占主導(dǎo)地位，但是在子午向高度和環(huán)向斷面上的響應(yīng)分布特征基本一致，說(shuō)明激發(fā)共振響應(yīng)的主導(dǎo)模態(tài)沒(méi)有改變

2） 對(duì)于交叉項(xiàng)響應(yīng)來(lái)說(shuō)，阻尼比的改變并沒(méi)有給其分布特征和數(shù)值帶來(lái)明顯的變化，這一現(xiàn)象說(shuō)明結(jié)構(gòu)的交叉項(xiàng)響應(yīng)分量與阻尼比的聯(lián)系較弱，更多的是與結(jié)構(gòu)的基頻、振型以及荷載的模式相關(guān)

表2中給出了典型結(jié)點(diǎn)的共振、交叉項(xiàng)、總脈動(dòng)響應(yīng)和風(fēng)振系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著阻尼比的增大，結(jié)點(diǎn)的總脈動(dòng)風(fēng)振響應(yīng)都有較大幅度的降低，而結(jié)構(gòu)的平均響應(yīng)不變，這就必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)變小

4周邊干擾的影響

需要說(shuō)明的是，本小節(jié)對(duì)于周邊干擾的影響分析僅針對(duì)干擾的存在對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)各脈動(dòng)分量的數(shù)值、子午向和環(huán)向分布特征的改變，并不具體去研究周邊干擾物的存在類型考慮到干擾的影響使得迎風(fēng)點(diǎn)、負(fù)壓極值區(qū)和背風(fēng)區(qū)并不明確，因此無(wú)法像單塔那樣給出具體的環(huán)向區(qū)域劃分，故主要對(duì)比分析整個(gè)殼體結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)振響應(yīng)分布特征，如圖4所示

對(duì)比分析單塔工況和周邊干擾下脈動(dòng)風(fēng)振響應(yīng)各分量的等值線分布圖，可知存在干擾時(shí)，殼體結(jié)構(gòu)背景和共振響應(yīng)的數(shù)值明顯增大，其中共振分量的增幅更加顯著，峰值從64 mm增大到82 mm，增幅為28%，而相比之下背景分量的增幅僅為10%，說(shuō)明干擾物的存在極大地增加了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大效應(yīng)，其準(zhǔn)靜力貢獻(xiàn)的那部分增加的幅度較小，因此在實(shí)際工程中一定要考慮其周邊干擾物的布置形式及對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化

5 結(jié)論

影響冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)數(shù)值和分布特性的因素從本質(zhì)上可分為兩類：一是結(jié)構(gòu)本身因素，包括結(jié)構(gòu)基頻（如塔高、壁厚、直徑、進(jìn)風(fēng)口高度等）、阻尼比；二是周邊建筑物的干擾效應(yīng)具體分析結(jié)論如下：

1） 干擾效應(yīng)對(duì)脈動(dòng)風(fēng)振響應(yīng)的數(shù)值大小影響最大，明顯增大了共振分量所占的比重，其增幅達(dá)到28%，而相對(duì)來(lái)說(shuō)背景分量的增幅僅為10%

2） 隨著結(jié)構(gòu)基頻的減小，平均和脈動(dòng)響應(yīng)均逐漸增大，其中脈動(dòng)響應(yīng)的增幅要大于平均響應(yīng)，并且共振響應(yīng)所占的比重也越來(lái)越大，背景響應(yīng)所占比重逐漸減小另一方面，基頻的降低伴隨著結(jié)構(gòu)的環(huán)向和子午向尺寸的增大，這樣導(dǎo)致表面脈動(dòng)風(fēng)荷載的空間相關(guān)性減小，使得風(fēng)振響應(yīng)的增幅相對(duì)降低，這兩個(gè)因素對(duì)風(fēng)振響應(yīng)的影響正好相反，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基頻變化時(shí)某些結(jié)點(diǎn)的風(fēng)振系數(shù)改變并不明顯這一結(jié)論僅是針對(duì)本文3種塔型的4個(gè)典型結(jié)點(diǎn)，不是整體分析所得結(jié)論，具體到其它工程需進(jìn)行具體分析

3） 隨著阻尼比的變大，結(jié)構(gòu)的共振響應(yīng)數(shù)值明顯減小，其峰值從94 mm降至45 mm，這是由于超大塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)中共振分量占主導(dǎo)地位，但是在子午向高度和環(huán)向斷面上的響應(yīng)分布特征基本一致，說(shuō)明激發(fā)共振響應(yīng)的主導(dǎo)模態(tài)沒(méi)有改變

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