馮立環(huán) (中藍(lán)連海設(shè)計(jì)研究院 222004)

塔器上所受基本風(fēng)壓分布參數(shù)的確定分析

馮立環(huán) (中藍(lán)連海設(shè)計(jì)研究院 222004)

風(fēng)壓分布是塔器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容之一，本文基于這一背景，簡(jiǎn)單闡述了風(fēng)壓的定義，分析了影響風(fēng)壓分布的幾個(gè)因素，并在此基礎(chǔ)上提出了基本風(fēng)壓分布參數(shù)的概念與初步設(shè)計(jì)要點(diǎn)。旨在完善風(fēng)壓分布參數(shù)設(shè)計(jì)方式，提升設(shè)計(jì)有效性。

風(fēng)壓分布；塔器；參數(shù)設(shè)計(jì)

風(fēng)壓指的是由于受到建筑物等物體抵擋，風(fēng)無(wú)法從中穿過造成的四周空氣阻力增大情況，這種情況下動(dòng)壓會(huì)下滑，靜壓隨之升高。在這種條件下，背面以及側(cè)面所出現(xiàn)的局部渦流靜壓下滑狀態(tài)相較于遠(yuǎn)處由于遮擋物受到干擾的氣流而言，這類靜壓的降低與升高變化即為風(fēng)壓。換言之，風(fēng)壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的來自流動(dòng)風(fēng)的壓力。對(duì)于塔器而言，由于其是由支座、封頭以及筒體等構(gòu)件組合而成，屬于圓筒形狀態(tài)且體積較大，因此難免會(huì)對(duì)風(fēng)力造成一定影響，其風(fēng)壓也會(huì)由于各種因素產(chǎn)生變化。本文以此為背景，針對(duì)塔器上風(fēng)壓分布參數(shù)的設(shè)定展開如下研究：

一、風(fēng)壓分布影響因素研究

表一：平均風(fēng)速年極大值

1.塔器本身外形影響

之前說到，風(fēng)在流動(dòng)過程中受到阻擋而產(chǎn)生風(fēng)壓，也就是說，風(fēng)流動(dòng)情況下會(huì)受到不同形態(tài)的阻擋物，因此對(duì)于塔器而言，其阻擋效果與其它建筑物阻擋可能不盡相同。在基本風(fēng)壓中，并沒有將塔器結(jié)構(gòu)、形態(tài)等因素作為影響風(fēng)壓的考慮因素，塔器在不同環(huán)境下呈現(xiàn)出的形狀、高度、表面積等因素不同，在同樣風(fēng)速條件下，其風(fēng)壓值也是不同的。通常而言，塔器屬于圓筒形狀，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論對(duì)影響程度按照雷諾數(shù)來表示，標(biāo)記為Re。通常而言，當(dāng)雷諾數(shù)的值在1.5*105以下時(shí)（包含此值），K1值取1.2；當(dāng)雷諾數(shù)的值在4*105以上時(shí)（包含此值），K1值取0.7。

由此可見，風(fēng)壓分布大小狀態(tài)受到高度變化系數(shù)、基本風(fēng)壓以及形體系數(shù)影響，其中基本風(fēng)壓也可以被稱作為平均風(fēng)速極大值。這類影響的決定性因素在于風(fēng)的靜力性質(zhì)，也就是說，在平均風(fēng)速極大值下，風(fēng)壓能夠使用以下公式來表達(dá)：

風(fēng)壓=K1∫zq0

2.平均風(fēng)對(duì)風(fēng)壓分布的影響

在實(shí)施可靠性設(shè)計(jì)過程中，第一步應(yīng)該是實(shí)際測(cè)量平均風(fēng)速的年度極大值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)速測(cè)量狀態(tài)記錄來完善，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)較大偏差。例如在某地區(qū)測(cè)量時(shí)，已經(jīng)得到了僅幾十年內(nèi)的平均風(fēng)速記錄，將樣本容量定位23個(gè)，則可以按照下表來表示（見表1）。但如果塔器的存在點(diǎn)并不在其中心范圍內(nèi)，則在收集到平均風(fēng)速年極大值的樣本之后還應(yīng)注意其分布狀態(tài)以及分布相關(guān)參數(shù)，之后的步驟相同。

二、風(fēng)壓分布參數(shù)概念與初步設(shè)計(jì)

在完成一項(xiàng)壓力容器的設(shè)計(jì)過程中，尤其是可靠性強(qiáng)度設(shè)計(jì)，首先應(yīng)對(duì)樣本實(shí)施有效的搜集、統(tǒng)計(jì)、管理以及處理，例如樣本的基本風(fēng)壓、操作壓力、操作質(zhì)量、各類型尺寸以及在地震狀態(tài)下的最大地面水平加速度。同時(shí)，在設(shè)計(jì)風(fēng)壓時(shí)還應(yīng)注意到樣本的分布狀態(tài)以及參數(shù)設(shè)置。在風(fēng)壓參數(shù)分布的設(shè)計(jì)方面，主要應(yīng)從以下幾個(gè)角度去考慮：

對(duì)于一個(gè)壓力容器而言，塔器在存在過程中必然會(huì)對(duì)風(fēng)產(chǎn)生阻擋影響，當(dāng)風(fēng)運(yùn)動(dòng)途中受到塔器影響產(chǎn)生風(fēng)荷載時(shí)，塔器筒體表層會(huì)受到歪曲狀態(tài)的應(yīng)力。換言之，相當(dāng)于風(fēng)作為一個(gè)外來侵入力量，將塔器向風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生了“推動(dòng)”作用力，讓塔身受到應(yīng)力。風(fēng)荷載屬于隨機(jī)荷載的一種，并不會(huì)屬于相同狀態(tài)，也就是說，在不同時(shí)間、不同環(huán)境下風(fēng)力荷載產(chǎn)生的作用力并不相同。另外，即使是在相似甚至相同環(huán)境中，不同次作用的風(fēng)力荷載也很少發(fā)現(xiàn)存在性質(zhì)與大小與之前發(fā)生過的荷載力相一致情況。因此，風(fēng)荷載的數(shù)據(jù)計(jì)算必須用到高等數(shù)學(xué)中的概率統(tǒng)計(jì)方法。研究者發(fā)現(xiàn)，在此方面風(fēng)荷載能夠表示為風(fēng)壓與塔器自身結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積的乘積，使用公式可表達(dá)為：

在上述公式中，Q表示的是空氣密度，空氣密度受到測(cè)量點(diǎn)高度以及周圍環(huán)境的影響，應(yīng)該視當(dāng)時(shí)情況而定或是取多個(gè)月/年平均值。同時(shí)注意夏冬兩季空氣密度的差異性。V表示平均風(fēng)速，需要在塔身部位測(cè)量一段時(shí)間后才能夠得出，并且注意測(cè)量方案的設(shè)定，測(cè)量必須包含到早中晚以及半夜這四個(gè)時(shí)間段，并且注意季節(jié)變化或是天氣變化，若在測(cè)量研究期間出現(xiàn)了強(qiáng)風(fēng)、暴雨等天氣應(yīng)將其適當(dāng)刪減，不作為平均風(fēng)速的計(jì)算；但若這種天氣屬于多發(fā)現(xiàn)象則可使用。K1表示的是體形系數(shù)，這里的體型指的是塔器本身的形狀，之前說過，塔器自身形狀以及表面積會(huì)影響到受風(fēng)力的荷載力量，因此塔器的體型理應(yīng)加入到風(fēng)壓分布參數(shù)計(jì)算中。本次研究中，由于目標(biāo)對(duì)象為塔器，因此當(dāng)對(duì)塔器實(shí)施K1計(jì)算時(shí)，將fZ設(shè)定為高度變化系數(shù)，表示塔器本身高度對(duì)荷載應(yīng)力產(chǎn)生的影響，將塔身高度這一因素計(jì)算在內(nèi)；K1設(shè)定為0.5，這是一個(gè)參數(shù)取值，在公式計(jì)算中可直接使用0.5來做運(yùn)算；K2i設(shè)定為風(fēng)振系數(shù)，這屬于風(fēng)力本身所產(chǎn)生的影響，將風(fēng)本身的影響因素也歸為其中。

由此可見，風(fēng)壓受到多種因素影響，例如塔器本身形體系數(shù)、高度變化、空氣密度、風(fēng)速等等。其中，在風(fēng)速的取值方面理應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速測(cè)量記錄合理選取，按照觀測(cè)資料選擇平均風(fēng)速一年中的極大值。因此，平均風(fēng)速極大值與風(fēng)壓之間的關(guān)系并不會(huì)呈現(xiàn)出線性狀態(tài)。換言之，如果已經(jīng)將平均風(fēng)速極大值的分布參數(shù)計(jì)算出來了，也就是將q0的分布參數(shù)計(jì)算出來了。但由于塔器自身迎風(fēng)面積的計(jì)算方式為線性尺寸的乘積，因此在具體可靠性強(qiáng)度設(shè)計(jì)中理應(yīng)將其變差系數(shù)忽略掉，否則難以求出范圍值。由此不難看出，風(fēng)壓與風(fēng)荷載之間還是能夠看作是線性關(guān)系的，則當(dāng)研究者得到了q0的分布參數(shù)之后，通過接下來的計(jì)算同樣能夠得到風(fēng)荷載的分布參數(shù)。

結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)壓分布參數(shù)會(huì)受到多種因素影響，例如塔器本身高度、形狀以及表面積等，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)在注重平均風(fēng)速年極大值的分析基礎(chǔ)上統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，讓參數(shù)分布更為合理化。

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