大型冷卻塔風(fēng)振系數(shù)計(jì)算公式及影響因素分析

大型冷卻塔風(fēng)振系數(shù)計(jì)算公式及影響因素分析

0風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算方法作為一個空間壁高的結(jié)構(gòu)，大型塔架具有自振頻率低、振動器密集的特點(diǎn)。這是典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。風(fēng)致振動對于結(jié)構(gòu)的不利效應(yīng)采用風(fēng)振系數(shù)來等效，其獲取的方法主要有風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和實(shí)測等。部分學(xué)者忽略風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)之間的自激力效應(yīng)，采用剛體測壓模型和有限元數(shù)值計(jì)算的方法對于冷卻塔的風(fēng)振特性進(jìn)行了定性分析常用的氣彈試驗(yàn)有Der和Filder目前用于冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法主要有基于氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)建議值。風(fēng)振系數(shù)合理取值對于保障結(jié)構(gòu)安全有重要的意義?；趪鴥?nèi)完成的系列大型冷卻塔風(fēng)洞氣動彈性試驗(yàn)結(jié)果，對中國規(guī)范和歐洲規(guī)范規(guī)定的風(fēng)振系數(shù)取值進(jìn)行評價(jià)，推薦了一種風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法。1更高趨勢發(fā)展隨著電力建設(shè)的推進(jìn)，我國現(xiàn)已建成數(shù)座超中國規(guī)范190m高限值的大型冷區(qū)塔，并有向更高趨勢發(fā)展。圖2統(tǒng)計(jì)了我國具有代表性的幾座大型冷卻塔，并給出詳細(xì)結(jié)構(gòu)特征尺寸（表1），包括塔筒高度Z以風(fēng)洞氣彈試驗(yàn)為主，對于中國規(guī)范GB/T50102—2014和歐洲規(guī)范VGB-R610e:2010（以下分別簡稱中國規(guī)范2體表面位置自然風(fēng)的脈動性對結(jié)構(gòu)是一種典型的動力作用，且幅值隨體表面位置變化。為了保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全和設(shè)計(jì)過程的簡捷，各國規(guī)范對冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)的隨機(jī)動力作用均采用包絡(luò)等效風(fēng)荷載，即風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值w(zue0a8θ)和w2.1離地高度z中國規(guī)范和歐洲規(guī)范風(fēng)荷載公式依次如式（1）、式（2）所示（此處只比較外壓）：式中：z為離地高度；μ關(guān)于中國規(guī)范環(huán)向平均風(fēng)壓C比較式（1）、式（2）和式（3）可知：采用與中國規(guī)范風(fēng)振系數(shù)β等量的等效風(fēng)振系數(shù)β2.2塔筒下1/3最大拉應(yīng)力風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算必須考慮陣風(fēng)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)共振效應(yīng)。中國規(guī)范以風(fēng)振系數(shù)β進(jìn)行荷載放大，對于A、B和C類場地分別取1.6、1.9和2.3；歐洲規(guī)范采用塔筒下部1/3高度范圍內(nèi)殼體的最大拉應(yīng)力作為整個塔筒動力放大因子。其中，中國規(guī)范的A類場地與歐洲規(guī)范的Ⅰ類場地對應(yīng)，B類場地與Ⅱ類場地對應(yīng)。式（4）將兩國風(fēng)振效應(yīng)評價(jià)方式聯(lián)系在一起，為確定等效風(fēng)振系數(shù)β2.2.1矩陣系數(shù)r陣風(fēng)系數(shù)φ故有：式中，v2.2.2大型裝置：風(fēng)壓q歐洲規(guī)范認(rèn)為動力放大因子φ與陣風(fēng)風(fēng)壓和基頻相關(guān)，其中陣風(fēng)風(fēng)壓q故有：式中，H為塔高；v動力放大因子φ表征的是脈動風(fēng)引起的冷卻塔結(jié)構(gòu)共振效應(yīng)。通過以上推導(dǎo)，把確定等效風(fēng)振系數(shù)β3風(fēng)振系數(shù)取值對結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響為了推薦合適的大型冷卻塔設(shè)計(jì)的風(fēng)振系數(shù)取值，以特定高度冷卻塔為例，分析氣彈試驗(yàn)、中國規(guī)范和歐洲規(guī)范風(fēng)振系數(shù)取值的差異，并分析了風(fēng)振系數(shù)取值對于結(jié)構(gòu)效應(yīng)影響的差異。塔高增加會改變結(jié)構(gòu)動力特性進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)風(fēng)振性能，選擇三個高度有代表性的冷卻塔分析其風(fēng)振系數(shù)取值。3.1風(fēng)振系數(shù)值對重力的影響3.1.1風(fēng)振系數(shù)的比較對215m高冷卻塔的風(fēng)洞測振試驗(yàn)3.1.2風(fēng)振系數(shù)和靈敏度對表4中風(fēng)洞試驗(yàn)和歐洲規(guī)范風(fēng)振系數(shù)取值對結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響進(jìn)行討論。圖3和圖4依次給出了殼體0°和72°子午線內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果，主要結(jié)論有：(1）風(fēng)振系數(shù)取值的差異在結(jié)構(gòu)響應(yīng)層面表現(xiàn)明顯，采用歐洲規(guī)范風(fēng)振系數(shù)計(jì)算結(jié)果較風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)振系數(shù)結(jié)果更大，其中環(huán)向彎矩和子午向軸力增幅最大，部分高度殼體達(dá)到30%的增幅，子午向彎矩和環(huán)向軸力敏感度較低，沒有明顯的變化。(2）塔筒殼體上部內(nèi)力略大于風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)振系數(shù)計(jì)算所得，但在殼體中下部有較大增幅，這是因?yàn)樵降綒んw下部，歐洲等效風(fēng)振系數(shù)超過風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)振系數(shù)越多所致，故將其用于中國冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的安全余度考慮。(3)72°位置殼體結(jié)構(gòu)響應(yīng)較0°位置更加敏感，增加幅度較大，表明采用風(fēng)振系數(shù)對于平均荷載直接放大的等效荷載方式，對于塔筒72°方向殼體比0°方向殼體更加不利。3.2歐洲規(guī)范結(jié)構(gòu)風(fēng)振理論以特定200m、215m和250m高冷卻塔氣彈測振試驗(yàn)（圖5）和歐洲規(guī)范風(fēng)振系數(shù)以及中國規(guī)范建議1.9進(jìn)行對比，表5為根據(jù)式（6）、式（10）計(jì)算的等效風(fēng)振系數(shù)相關(guān)參數(shù)，圖6為風(fēng)振系數(shù)取值對比，可以得出：(1）試驗(yàn)風(fēng)振系數(shù)隨塔高的分布規(guī)律與歐洲規(guī)范計(jì)算理論在喉部位置以上出現(xiàn)較大差異，與結(jié)構(gòu)風(fēng)致共振效應(yīng)和塔頂位置復(fù)雜的流場有關(guān)，歐洲規(guī)范采用單一動力放大因子（采用連續(xù)介質(zhì)氣彈試驗(yàn)獲得，不考慮共振效應(yīng)）乘陣風(fēng)系數(shù)剖面的方式與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)風(fēng)振效應(yīng)隨塔高分布規(guī)律并不一致。(2）對于200m塔高，總體而言，歐洲規(guī)范均值與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果較為接近，風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的風(fēng)振系數(shù)隨塔高有較大的波動性，均明顯底于中國規(guī)范結(jié)果；隨著塔高由200m過渡到250m，歐洲規(guī)范均值逐漸趨近于中國規(guī)范結(jié)果，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果均值變化不明顯，少許隨測量位置和塔高的風(fēng)振系數(shù)波動源于冷卻塔具體結(jié)構(gòu)尺寸和外形的個體化的差異等影響。總體而言，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果均小于中國和歐洲規(guī)范建議值，一定程度源于規(guī)范取值需兼顧結(jié)構(gòu)安全的余量儲備，具有偏安全的取值特點(diǎn)；規(guī)范建議風(fēng)振系數(shù)取值隨著塔高變化規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果不一致，不符合實(shí)際風(fēng)振效應(yīng)。3.3塔高和塔壓風(fēng)振系數(shù)冷卻塔喉部位置是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，對于塔筒喉部位置風(fēng)振系數(shù)β氣動參數(shù)：圖7為表1中冷卻塔喉部風(fēng)振系數(shù)β對表1中的不同高度塔的風(fēng)振系數(shù)沿著塔筒高度的分布值，與喉部位置風(fēng)振系數(shù)作比，得到歸一化結(jié)果，如圖8所示，其中Z由于塔高0.4以下部分試驗(yàn)風(fēng)振效應(yīng)不明顯，對表6中所有塔高Z以侯憲安和柯世堂4風(fēng)振系數(shù)與塔筒生長模型的關(guān)系通過對氣彈試驗(yàn)、中國規(guī)范GB/T和歐洲規(guī)范VGB-R的風(fēng)振系數(shù)取值對比，基于風(fēng)振位移，提出適合冷卻塔抗風(fēng)設(shè)計(jì)的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法，主要結(jié)論有：(1）兩國規(guī)范風(fēng)荷載關(guān)鍵參數(shù)風(fēng)振系數(shù)取值方式不同，中國規(guī)范采用不同場地類別的固定值，類似于歐洲規(guī)范中的陣風(fēng)系數(shù)和動力放大因子的乘積，推導(dǎo)了中國風(fēng)場環(huán)境中的陣風(fēng)系數(shù)和動力放大因子計(jì)算公式。(2）兩國規(guī)范風(fēng)振系數(shù)取值與氣彈試驗(yàn)結(jié)果均有偏差，對于試驗(yàn)風(fēng)振系數(shù)取值關(guān)于氣動參數(shù)和線形參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析。塔筒喉部風(fēng)振系數(shù)隨著基頻降低和線型參數(shù)增大而增大。塔筒子午向一維風(fēng)振系數(shù)隨著塔高增加，在喉部位置取值最小。(3）建議以喉部位置殼體風(fēng)振系數(shù)與歸一化的風(fēng)振系數(shù)分布曲線的乘積作為大型冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)