楊洋 高非 曾青 曹險(xiǎn)峰

摘要：圓截面高聳結(jié)構(gòu)易引起渦振，本文總結(jié)了自立式鋼煙囪的抗渦振設(shè)計(jì)方法，指出了不同雷諾數(shù)情況下，鋼煙囪的控制工況，并對其結(jié)構(gòu)及荷載進(jìn)行了歸納，實(shí)現(xiàn)了自立式鋼煙囪的參數(shù)化設(shè)計(jì)，并編制了專用的設(shè)計(jì)程序，為今后的設(shè)計(jì)提供了工具和參考。

關(guān)鍵詞：自立式鋼煙囪；渦振；參數(shù)化設(shè)計(jì)

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(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

0 前言

圓形截面的結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中，最常見的就是煙囪。當(dāng)風(fēng)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(shí)，平行的氣流在鋼煙囪的兩側(cè)交替形成旋渦，旋渦的出現(xiàn)與消失引起結(jié)構(gòu)兩側(cè)壓力的改變（如圖1所示），迫使鋼煙囪發(fā)生垂直于風(fēng)向的橫向振動(dòng)，由于其形成于背風(fēng)面渦流有規(guī)律地脫落，橫風(fēng)向的振動(dòng)又稱渦振。渦振是鋼煙囪結(jié)構(gòu)經(jīng)常需要面對的問題，如果處理不當(dāng)，渦振引起鋼煙囪結(jié)構(gòu)共振，將導(dǎo)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(guān)鍵就是鋼煙囪結(jié)構(gòu)自振周期的控制，而目前規(guī)范提供的公式無法準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)自振周期。本文繼承前人的研究成果，將有限元分析方法應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)煙囪的設(shè)計(jì)，并歸納得出鋼結(jié)構(gòu)煙囪抗渦振設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)化，并編制相關(guān)程序，進(jìn)而輔助工程設(shè)計(jì)。

1 抗渦振設(shè)計(jì)方法

1.1 計(jì)算方法總結(jié)

針對渦振，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（2006年版）（GB50009-2001）及《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50051-2002）都有論述。

雖然規(guī)范確定了計(jì)算方法，但使用起來仍然不方便。事實(shí)上，荷載規(guī)范在計(jì)算渦振時(shí)，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(shí)，又沒有統(tǒng)一判斷指標(biāo)，例如5.2.4-1式，即本文的（1）式，是用風(fēng)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(fēng)速來判斷“鎖住區(qū)”作用的。本文結(jié)合規(guī)范進(jìn)行推導(dǎo)，合理化統(tǒng)一判斷指標(biāo)，將設(shè)計(jì)方法及步驟歸納如下：

（1）

（2）

（1）第一步，求自振周期

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

（2）第二步，計(jì)算雷諾數(shù)

根據(jù)不同的振型，計(jì)算雷諾數(shù)的大小。渦流的產(chǎn)生與煙囪的外形尺寸、風(fēng)速等因素有關(guān)，綜合反映在雷諾數(shù)Re。根據(jù)雷諾數(shù)判斷結(jié)構(gòu)可能發(fā)生哪種類型的風(fēng)振。

① 當(dāng)雷諾數(shù)<3X105時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生亞臨界的微風(fēng)共振。此時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)從構(gòu)造上，采取防振措施，或加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，使臨界風(fēng)速不小于15m/s；

② 當(dāng)雷諾數(shù)在3X10 5~3.5X10 6時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生超臨界的風(fēng)振，振動(dòng)沒有規(guī)律，不會(huì)發(fā)生共振；

③ 當(dāng)雷諾數(shù)>=3.5X10 6時(shí)，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生跨臨界的強(qiáng)風(fēng)共振。

（3）第三步，計(jì)算煙囪頂部風(fēng)速

通過計(jì)算頂部風(fēng)速和結(jié)構(gòu)在不同振型下的臨界風(fēng)速，判斷結(jié)構(gòu)是否可能發(fā)生強(qiáng)風(fēng)共振。

① 當(dāng)VH<（1/1.2）Vcr時(shí)，結(jié)構(gòu)頂部的風(fēng)速達(dá)不到結(jié)構(gòu)振動(dòng)所需的擾力，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生共振；

② 當(dāng)VH>=（1/1.2）Vcr時(shí)，結(jié)構(gòu)將發(fā)生共振。

（4）第四步，計(jì)算風(fēng)振的效應(yīng)

計(jì)算橫向風(fēng)振效應(yīng)，并與順風(fēng)效應(yīng)組合。

① 當(dāng)VH>=Vcr（400+βh2）1/4時(shí)，由于設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，鎖住區(qū)的起點(diǎn)高度和終點(diǎn)高度均很小，因此強(qiáng)風(fēng)共振區(qū)非常短，而小于設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，組合效應(yīng)值又小于順風(fēng)向的設(shè)計(jì)值，所以不考慮橫向風(fēng)振作用；

② 當(dāng)1.3 Vcr <=VH

③ 當(dāng)1/1.2Vcr<=VH<1.3 Vcr時(shí)，煙囪的鎖住區(qū)在煙囪結(jié)構(gòu)上半段，此時(shí)驗(yàn)算橫向風(fēng)振作用的起點(diǎn)高度為：H1=H/（VH / Vcr）1/a。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)化

通過前文對多個(gè)鋼煙囪的分析，可將其結(jié)構(gòu)參數(shù)歸納為：外形參數(shù)、細(xì)部參數(shù)、荷載參數(shù)。具體的參數(shù)按照表1的格式存儲(chǔ)。將煙囪分段，變截面處、有環(huán)向加勁的位置均為分段點(diǎn)，各分段點(diǎn)輸入半徑和壁厚，從而建立起煙囪的整體模型。最終，實(shí)際工程被完整地參數(shù)化。

3程序設(shè)計(jì)

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(shù)據(jù)后，經(jīng)過參數(shù)合理性檢驗(yàn)，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(shù)據(jù)庫和文本計(jì)算書。程序數(shù)據(jù)流如圖3所示。

使用Visal Basic開發(fā)UI界面，完成以下功能：

（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入。檢驗(yàn)輸入數(shù)據(jù)合理性、按項(xiàng)目名稱將結(jié)構(gòu)參數(shù)存儲(chǔ)到Access數(shù)據(jù)庫。

（2）提供項(xiàng)目查詢。通過項(xiàng)目名稱查詢項(xiàng)目，自動(dòng)在結(jié)構(gòu)參數(shù)界面讀入被查詢的項(xiàng)目的詳細(xì)數(shù)據(jù)，可以修改并保存為新的項(xiàng)目。

（2）生成接口文件 *.mac 。

（3）啟動(dòng)Ansys程序。通過Shell自動(dòng)讀入*.mac進(jìn)行計(jì)算。

其中mac宏命令完成以下功能：

（1）完成結(jié)構(gòu)建模、計(jì)算、讀取結(jié)果數(shù)據(jù)。

（2）輸出簡要計(jì)算書。

3.2 程序假定及簡化

為方便程序設(shè)計(jì)，計(jì)算中采取了一些簡化處理措施，包括如下幾點(diǎn)：

（1）風(fēng)荷載的方向，只從0度、45度、90度三個(gè)方向吹入；

（2）脈動(dòng)影響系數(shù)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(jì)算，并施加在每段上部；

（4）橫向風(fēng)振效應(yīng)計(jì)算考慮前四階振型。