風效應對爆破拆除煙囪倒塌過程的影響

陳路陽

【摘 要】 爆破拆除煙囪倒塌過程中，控制煙囪的傾倒方向是重中之重，這其中，風荷載有著關(guān)鍵性的影響。本文主要分析了風荷載中，靜力風效應、順風向效應、橫風向風振響應的影響，并且提出了風效應選擇條件，希望對爆破拆除煙囪倒塌過程中的風效應的控制，起到一定的參考作用。

【關(guān)鍵詞】風效應對 ?爆破拆除 ?煙囪倒塌 ?影響

橫風向風效應、順風向風效應、靜力風效應是風荷載的三種作用。順風向風效應主要是自激振動影響。橫風向風效應主要產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)風振響應、橫風向空氣動力失穩(wěn)、橫風向旋渦脫落的影響。這其中，橫風向風效應具有周期性和確定性。在風效應產(chǎn)生轉(zhuǎn)振動響應的時候，因為其效果不是很顯著，可以不進行計算考慮。

1 靜力風效應

靜力風效應主要是通過結(jié)構(gòu)靜力學開展分析的。靜力風效應計算中，因為煙囪抗風設(shè)計僅僅對彈性變形考慮，所以能簡化成截面階段性的懸臂桿。煙囪產(chǎn)生的變形是彎曲變形，中間不存在剛性的橫隔。所以對其模型的的分析，主要是動力連續(xù)化特性分析。氣流在通過煙囪時導致鈍體繞流，于是煙囪的形狀和尺寸就產(chǎn)生了變化，流體出現(xiàn)相應變化。風效應主要是在煙囪的正面以及側(cè)面和背面產(chǎn)生不相同壓力[1]。并且，盡管在同一面，但是不同高度處實際的壓力分布也呈現(xiàn)均勻的分布。在地貌和離地面的變化高度出現(xiàn)變化時，風速相應產(chǎn)生變化。所以，計算煙囪的具體風壓時候，不但要考慮結(jié)構(gòu)的體型，還要對離地面高度、地貌地形不同因素進行計算。下面給出相關(guān)因素單位風壓的計算公式：

離地面高度z風壓：

煙囪高度H的立面風壓：

2 順風向效應

在煙囪的截面出現(xiàn)高度的規(guī)則變化時候，煙囪的順風向風振響應在計算的時候，僅僅需要把截面煙囪中的順風向展開風振響應核算，部分的煙囪因為功能在對應高度部位附加大質(zhì)量，這種類煙囪的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的截面，沿高度變化實際是呈現(xiàn)不規(guī)則情況的，僅僅要考慮風壓相關(guān)性。平均風下，因為煙囪是彈性的結(jié)構(gòu)，所以煙囪的彎曲響應，最好是依照結(jié)構(gòu)力學進行計算，也能按照振型的分解法開展計算。等截面的煙囪，在第一振型的曲線最好使用均布荷載的撓曲線進行表示[2]。總的來說，一旦煙囪的截面尺寸出現(xiàn)，伴隨高度的減小情況，煙囪的振型函數(shù)需要進行調(diào)整。煙囪沒有截面面積的突變，在確定了其頂部以及底部的迎風面實際寬度之后，振型函數(shù)就能確定了。

3 橫風向風振響應

結(jié)構(gòu)橫風的強迫振動，引起原因有兩個，第一，橫風向風紊流和尾部激勵。前者和后者主要引起的是，結(jié)構(gòu)橫風向振動。此外，煙囪剛心中的質(zhì)心不重合，會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)順風向的振動和風荷載的扭轉(zhuǎn)效應，于是引起煙囪在橫風向的振動。這其中，風紊流在結(jié)構(gòu)影響方面不大，對其計算能使用順風向動力的響應分析方法，展開計算。應用在實際工程中，尾流激勵是大部分結(jié)構(gòu)橫風向的振動。圓截面煙囪主要受到周期性干擾力作用。實驗表明，在周期性的干擾力影響下，旋渦的脫落次數(shù)，在某高度處和結(jié)構(gòu)自振頻率靠近。于是產(chǎn)生了大振幅的共振鎖定[3]。結(jié)構(gòu)上位置主要是周期性干擾力作用。在旋渦脫落的頻率變化到和結(jié)構(gòu)自振頻率一致時，旋渦脫落頻率在固定范圍內(nèi)不變。不出現(xiàn)共振鎖定的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)大的共振不會被引起。其微小影響，基本上可以忽略。

4 風效應選擇條件

在高度不低于30m，并且基本的自振周期不小于0.25S的時候，風效應對結(jié)構(gòu)振動比較顯著，并且伴隨結(jié)構(gòu)的自振周期逐步延長，風壓脈動也需要考慮到在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的影響。需要按照結(jié)構(gòu)隨機理論開展。當高度不大于0.25S的時候，同高度不大于30m的煙囪，風振影響也要考慮進去。但是因為這種類型的建筑，一般依照規(guī)定的強度結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以風振響應的影響不大，可以忽略。在一般煙囪結(jié)構(gòu)進行風振效應估計的時候，考慮第一振型就可以了。具體計算公式為

本公式中，是Z高度風振系數(shù)。對于橫風向風振的影響考慮的時候，主要是對阻尼比、自振頻率、截面形狀面積、高度進行考慮。通過借鑒有關(guān)資料和工程經(jīng)驗進行計算。在建筑高度大于150m的時候，顯著的橫向風振效應可以在爆破煙囪的時候出現(xiàn)，這個過程中，還受到高寬比和高度影響。扭轉(zhuǎn)風荷載，在立面風壓的非對稱性中產(chǎn)生著重要作用。并且受到湍流度和截面的形狀影響[4]。所以說，在進行扭轉(zhuǎn)風振設(shè)計的時候，煙囪建筑深寬比、建筑的高度、結(jié)構(gòu)自振頻率都需要考慮進來，還要注意質(zhì)量偏心、結(jié)構(gòu)剛度對其產(chǎn)生的效果。

5 結(jié)語

風效應在爆破拆除煙囪的過程中，有著很大隨機性和復雜性，為了保證煙囪倒向了預定方向，減少卷起的塵土，保證整個爆破過程當中沒有造成人員財產(chǎn)損失。要對風效應對爆破的影響進行測算，排除安全隱患，保證爆破現(xiàn)場群眾和財產(chǎn)安全。

參考文獻

[1]Simiu E. Scanlan ?R ?H. Wind ?effects on structures ?fundamentals and applications to design. The ?3rd Edition[R].John Wiley and Sons .New York.1996.

[2]言志信，葉振輝，劉培林，等.鋼筋混凝土高煙囪定向爆破拆除倒塌過程研究.田振動與沖擊，2011，30（9）：197-201.

[3]Shi-fu. Research on an 100m high chimney demolished by directional blasting[J].Engineering Blasting，1996，2（3）：23-28.

[4]言志信，葉振輝，劉培林，等.鋼筋混凝土高煙囪定向爆破拆除倒塌過程研究.田振動與沖擊，2011，30（9）：197-201.