脫硫排煙一體式鋼塔TMD減振效果分析

王?；?宋 波,陳 磊,勞 俊,王滿生

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083; 2.強(qiáng)震區(qū)軌道交通工程抗震研究北京市國(guó)際科技合作基地, 北京 100083; 3.北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司, 北京100039; 4.北京市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)科學(xué)技術(shù)研究所, 北京 100021)

近年來(lái)隨著環(huán)保力度的增大，要求發(fā)電廠排煙高度不斷提升，進(jìn)而產(chǎn)生了脫硫排煙一體式鋼塔，即將煙囪直接設(shè)置在鋼制脫硫塔頂部，提升排煙高度[1]，其環(huán)保效果顯著.由于煙囪與脫硫塔結(jié)合部位存在截面突變，削弱了剛度，增加了風(fēng)致敏感性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下極容易發(fā)生振動(dòng)，甚至產(chǎn)生過(guò)大位移，對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成威脅，因此有必要研究適用于脫硫排煙一體式鋼塔的減振措施.

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(tuned mass damper，TMD)作為一種高效、便捷的振動(dòng)控制裝置，在高層建筑[2]及高聳結(jié)構(gòu)[3]、風(fēng)電塔[4]等特種結(jié)構(gòu)上都有所應(yīng)用，可有效降低結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng).Elias等[5]研究了裝有TMD的高層建筑的風(fēng)振控制問(wèn)題，利用Newmark積分法，導(dǎo)出了有無(wú)TMD結(jié)構(gòu)的耦合運(yùn)動(dòng)微分方程，計(jì)算了風(fēng)荷載作用下建筑物動(dòng)力響應(yīng)的變化.邢磊等[6]將TMD應(yīng)用于高層鋼框架結(jié)構(gòu)，使建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)下降19%～26%，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.陳鑫等[7]針對(duì)自立式高聳結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了環(huán)形TMD減振裝置，并通過(guò)時(shí)程分析的方法驗(yàn)證了該裝置的有效性.田英鵬等[8]通過(guò)有限元法分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架施工階段的TMD減振效果，并通過(guò)TMD縮尺模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.

本文針對(duì)脫硫排煙一體式鋼塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出適用于該類塔體的TMD減振方案.基于流固耦合原理，建立結(jié)構(gòu)場(chǎng)與流場(chǎng)模型，采用數(shù)值風(fēng)洞方法，對(duì)TMD的減振效果進(jìn)行了分析，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)振監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了數(shù)值風(fēng)洞方法的可靠性.TMD可大大減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)，大大提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.

1 TMD減振方案設(shè)計(jì)

1.1 工程背景

以赤峰某電廠項(xiàng)目脫硫排煙一體式鋼塔作為研究背景，見(jiàn)圖1.

圖1 脫硫排煙一體式鋼塔

塔體主要由底部脫硫塔與頂部煙囪組成，總高度為93 m，材料類型為Q235B，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為2.06×1011Pa.壁厚從底往上逐漸遞減，底部壁厚為30 mm，頂部壁厚為6 mm.濕除擴(kuò)大段塔體直徑12 m，煙囪直徑4 m，下部筒體直徑10 m.地面粗糙度類別屬于B類，地面粗糙度系數(shù)為0.16，梯度風(fēng)高度HG=350 m.根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]可知，赤峰地區(qū)10 a重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.30 kN/m2，由風(fēng)速風(fēng)壓換算公式計(jì)算可知赤峰地區(qū)10 a重現(xiàn)期10 m高度處10 min內(nèi)平均風(fēng)速為22.13 m/s.

1.2 TMD設(shè)置方案

TMD屬于被動(dòng)減振控制體系的一種，主要由質(zhì)量塊、調(diào)頻彈簧和阻尼元件組成，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮質(zhì)量比、阻尼比、頻率等參數(shù)[10].當(dāng)阻尼器系統(tǒng)自身頻率調(diào)整到與結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主頻率相近時(shí)，阻尼器會(huì)產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)反向共振的行為[11]，此時(shí)TMD會(huì)通過(guò)阻尼耗散部分能量，從而起到減小結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的目的.根據(jù)TMD減振原理，結(jié)合塔體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可在塔體頂部設(shè)置懸吊式TMD，具體設(shè)置方案見(jiàn)圖2.為減小對(duì)排煙效率的影響，質(zhì)量塊設(shè)計(jì)成圓柱形，在煙囪頂部設(shè)置橫梁，通過(guò)懸索或吊桿將質(zhì)量塊吊起(塔體橫梁受力部位應(yīng)采取加固措施，防止產(chǎn)生局部屈曲)，質(zhì)量塊與煙囪內(nèi)壁沿環(huán)向設(shè)置彈簧阻尼器，起到限位與耗能的作用.

圖2 塔體TMD設(shè)置方案

2 數(shù)值風(fēng)洞的建立

根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知，相鄰構(gòu)筑物在不同參數(shù)條件下會(huì)呈現(xiàn)不同的繞流特點(diǎn),根據(jù)實(shí)際情況,可以忽略周圍構(gòu)筑物的影響.基于流固耦合理論[13]，利用有限元軟件，建立了鋼塔的結(jié)構(gòu)模型與流場(chǎng)模型，并通過(guò)自回歸模型AR法確定10 a重現(xiàn)期的風(fēng)速時(shí)程.

2.1 結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)模型的建立

為使計(jì)算結(jié)果更具參考價(jià)值，按照脫硫排煙一體式鋼塔實(shí)際尺寸建立結(jié)構(gòu)有限元模型，見(jiàn)圖3.單元類型選擇適用于薄壁的Shell單元，由于脫硫塔結(jié)構(gòu)壁厚沿高度方向逐漸遞減，因此采用分區(qū)建模的方式形成壁厚變化的結(jié)構(gòu)模型.

TMD通過(guò)多單元組合的方式進(jìn)行模擬，塔頂橫梁采用大位移彈性Beam單元，中間懸索或吊桿采用Truss單元，為使其能夠自由擺動(dòng)，頂部與橫梁鉸接，通過(guò)調(diào)整彈簧單元?jiǎng)偠萲與阻尼c來(lái)模擬環(huán)向的彈簧阻尼器，質(zhì)量塊通過(guò)定義集中質(zhì)量的方式定義.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，質(zhì)量塊配重取結(jié)構(gòu)總重的1.2%即4 t，有效擺長(zhǎng)取1 m，為充分發(fā)揮TMD的作用，使其頻率約等于結(jié)構(gòu)自振頻率1 s，通過(guò)式(1)、(2)得出[14]，彈簧阻尼在單一水平方向總剛度K為119 N/mm，阻尼C為3.0(N·s)/mm.

圖3 結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算模型

(1)

C=2mwξc,

(2)

式中：m為配重塊質(zhì)量，l為有效擺長(zhǎng)，w為TMD圓頻率，g為重力加速度，h為彈簧距離擺軸中心力矩長(zhǎng)度，ξc為阻尼調(diào)整系數(shù)，一般取0.06.

為滿足阻塞率的要求[15]，流場(chǎng)域尺寸為200 m×200 m×130 m，見(jiàn)圖4.

圖4 流場(chǎng)有限元模型

為提高計(jì)算效率，網(wǎng)格劃分密度由外向內(nèi)逐漸加密，其中-X方向?yàn)榱鲌?chǎng)進(jìn)風(fēng)口，+X方向?yàn)榱鲌?chǎng)出風(fēng)口.流場(chǎng)域入口采用速度入口邊界條件，同時(shí)為了提高入口邊界條件的自保持性，對(duì)入口的湍流能和耗散率進(jìn)行了設(shè)置.流場(chǎng)域出口采用完全發(fā)展的邊界條件，流場(chǎng)域底部、頂部及側(cè)面采用固定邊界條件，結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)結(jié)合面采用流固耦合邊界.流場(chǎng)域的單元類型為3D-Fluid, 空氣密度為1.225 kg/m3，黏性系數(shù)為1.78×105kg/(m·s).湍流模型采用的是RNGk-ε湍流模型，該湍流模型在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)能更好地處理高應(yīng)變率和流動(dòng)彎曲度較大的流動(dòng)，使得數(shù)值模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確.

2.2 脈動(dòng)風(fēng)速模擬

在開(kāi)展結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)速的合理確定非常關(guān)鍵[16]，本文基于自回歸模型AR方法，編譯適用于鋼塔結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)速，其中平均風(fēng)速基于場(chǎng)地環(huán)境條件以及國(guó)家規(guī)范確定[9]，脈動(dòng)風(fēng)速采用隨機(jī)序列產(chǎn)生.本文主要目標(biāo)是通過(guò)設(shè)置TMD保證鋼塔在大風(fēng)作用下不致產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)而倒塌，因此根據(jù)赤峰10 a重現(xiàn)期基本風(fēng)速為22.13 m/s，頻率范圍取0.001～6 Hz，通過(guò)Davenport譜模擬得到的赤峰地區(qū)10 a重現(xiàn)期脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程，見(jiàn)圖5.為驗(yàn)證應(yīng)用AR自回歸法模擬脈動(dòng)風(fēng)速的準(zhǔn)確性，將模擬譜和目標(biāo)譜(Davenport譜)作對(duì)比，見(jiàn)圖6.

圖5 10 a重現(xiàn)期脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程

圖6 功率譜密度對(duì)比

從圖5可看出，脈動(dòng)風(fēng)在平均風(fēng)的基準(zhǔn)線處上下波動(dòng)，從圖6可看出，應(yīng)用AR自回歸方法模擬的脈動(dòng)風(fēng)速譜與目標(biāo)譜基本一致，表明兩者擬合情況良好，說(shuō)明采用AR自回歸法對(duì)自然風(fēng)的模擬可靠有效，且未發(fā)生脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程失真現(xiàn)象.

3 TMD減振效果分析

3.1 自振特性分析

采用子空間法對(duì)脫硫排煙一體式鋼塔(無(wú)TMD)進(jìn)行模態(tài)分析，以確定該結(jié)構(gòu)的自振頻率、周期和振型，為TMD設(shè)置提供依據(jù).提取塔體前10階自振模態(tài)結(jié)果，見(jiàn)表1，部分代表性振型，見(jiàn)圖7.結(jié)合表1和圖7可看出，塔體振型主要以局部或整體的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、屈曲與扭轉(zhuǎn)為主，在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)第1階振型提供的響應(yīng)在80%以上[17]，一般控制鋼塔結(jié)構(gòu)第1階振型的變形，即可達(dá)到工程實(shí)用精度，塔體第1階振型主要以整體平動(dòng)為主.

表1 前10階自振模態(tài)結(jié)果

圖7 部分塔體振型

3.2 風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程分析

流固耦合分析可以更好地體現(xiàn)出風(fēng)荷載的脈動(dòng)特性，尤其對(duì)于風(fēng)振響應(yīng)的研究只有通過(guò)流固耦合才能體現(xiàn)風(fēng)振的脈動(dòng)特性，通過(guò)切片方式顯示高度80 m處流場(chǎng)速度矢量變化，見(jiàn)圖8.可以看出流體經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)時(shí)，產(chǎn)生明顯的繞流，流固耦合效果顯著.

提取未設(shè)置與設(shè)置TMD結(jié)構(gòu)模型頂部加速度與位移順風(fēng)向(X向)時(shí)程結(jié)果，同時(shí)提取應(yīng)力較大部位的應(yīng)力時(shí)程結(jié)果，見(jiàn)圖9.分別計(jì)算加速度、位移和應(yīng)力結(jié)果的最大值與均方根值減振率，見(jiàn)表2.從表2可以看出，加速度最大值降低43%，均方根值降低72%，位移最大值降低41%，均方根值降低75%，應(yīng)力最大值降低37%，均方根值降低50%，可見(jiàn)TMD大大降低結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng).

圖8 流場(chǎng)速度矢量圖

圖9 風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程結(jié)果

表2 動(dòng)力響應(yīng)減振率計(jì)算

位移是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的重要指標(biāo)[18]， 采用快速傅里葉變換方法，對(duì)位移時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到有無(wú)TMD結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)頻譜曲線，見(jiàn)圖10.

圖10 頻譜曲線

結(jié)構(gòu)安裝TMD后部分低頻振型被激起，高頻振型變化不大，同時(shí)主頻率對(duì)應(yīng)的動(dòng)力響應(yīng)大大降低，表明TMD對(duì)于該脫硫排煙一體式鋼塔可以起到較好的減振效果.

4 現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)振監(jiān)測(cè)

目前, 對(duì)于該脫硫排煙一體式鋼塔設(shè)計(jì)主要依賴于工程經(jīng)驗(yàn), 缺乏相應(yīng)的理論和適用的規(guī)范.為驗(yàn)證數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算方法的可靠性，利用風(fēng)速儀采集現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速，同時(shí)利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)在該風(fēng)速下，脫硫塔沿高度方向的風(fēng)振響應(yīng).同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)采集風(fēng)速輸入模型，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.由于是前期設(shè)計(jì)階段，TMD還未安裝，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是針對(duì)未安裝TMD的塔體進(jìn)行的.

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)采用的是D1000動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，支持16通道，每通道內(nèi)置獨(dú)立的24bit ADC，保證每通道最高以128 kHz的采樣率同步采樣，內(nèi)置程控放大和濾波器，可完成各種傳感器信號(hào)的高速采集，現(xiàn)場(chǎng)采集儀布置見(jiàn)圖11(a).傳感器采用的是用于超低頻或低頻振動(dòng)測(cè)量的941B拾振器，適用于一般結(jié)構(gòu)物的工業(yè)振動(dòng)測(cè)量、高聳結(jié)構(gòu)物的超低頻大幅度測(cè)量和微弱振動(dòng)測(cè)量.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)條件，在保證測(cè)點(diǎn)高度最大的前提下，分別在塔體背風(fēng)面沿高度方向標(biāo)高30、40和50 m處設(shè)置三個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)依次為1～3#.由于外保溫層柔度較大，為更好地反映塔身的振動(dòng)，將傳感器固定在塔體加勁肋上，以使其與塔身能夠保持同步運(yùn)動(dòng)，拾振器固定及現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速采集見(jiàn)圖11(b)、(c).

圖11 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)底部、中部和頂部的平均風(fēng)速依次為3、7和9 m/s, 沿高度方向呈現(xiàn)梯度分布規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速分布特點(diǎn)，設(shè)置與現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速分布規(guī)律一致的梯度風(fēng)作為入口邊界條件，同時(shí)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)10 m高度處監(jiān)測(cè)到的平均風(fēng)速(4 m/s)，通過(guò)AR自回歸法生成現(xiàn)場(chǎng)脈動(dòng)風(fēng)速，并將脈動(dòng)風(fēng)速輸入數(shù)值風(fēng)洞進(jìn)行計(jì)算.

提取1～3#測(cè)點(diǎn)前300 s的位移時(shí)程結(jié)果，見(jiàn)圖12.從位移變化幅值來(lái)看，風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)沿高度方向平均位移幅值逐漸遞增，平均位移變化幅值依次為5、6和8 mm.提取結(jié)構(gòu)模型與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)高度處平均位移變化幅值，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果作對(duì)比，見(jiàn)表3.從表3可看出，由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜，受周圍環(huán)境振動(dòng)等的影響，各測(cè)點(diǎn)數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算結(jié)果整體小于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，但各測(cè)點(diǎn)最大誤差均在15%以內(nèi)，可近似認(rèn)為數(shù)值風(fēng)洞方法計(jì)算結(jié)果可靠.

圖12 現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)振監(jiān)測(cè)結(jié)果

表3 監(jiān)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 論

1)提出了適用于脫硫排煙一體式鋼塔的TMD減振方案，通過(guò)內(nèi)置懸吊式TMD，位移動(dòng)力響應(yīng)最大值降低41%，均方根值降低75%，大大降低了結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)，為類似高聳薄壁結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制提供參考.

2)基于流固耦合理論，建立了結(jié)構(gòu)場(chǎng)與流場(chǎng)計(jì)算模型，成功利用數(shù)值風(fēng)洞方法計(jì)算了結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了數(shù)值方法的可靠性，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境振動(dòng)等的影響，監(jiān)測(cè)結(jié)果大于模擬結(jié)果，但各測(cè)點(diǎn)最大誤差均在15%以內(nèi).

3)該脫硫排煙一體式鋼塔振型主要以結(jié)構(gòu)局部或整體的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、屈曲與扭轉(zhuǎn)為主，第1階振型主要是整體的平動(dòng)，結(jié)構(gòu)安裝TMD后部分低頻振型被激起，高頻振型無(wú)明顯變化，主頻率對(duì)應(yīng)的動(dòng)力響應(yīng)被大大降低，表明TMD對(duì)于該類塔體起到良好的減振效果.