汪　睿　陳學(xué)東　范志超

1.合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，合肥，2300312.浙江工業(yè)大學(xué)，杭州，310014

高聳塔器風(fēng)致疲勞壽命時(shí)域分析

汪睿1,2陳學(xué)東1,2范志超1

1.合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，合肥，2300312.浙江工業(yè)大學(xué)，杭州，310014

針對(duì)沿海多風(fēng)地區(qū)高聳塔器可能因長(zhǎng)期風(fēng)致振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞問(wèn)題，以隨機(jī)風(fēng)致應(yīng)力響應(yīng)的時(shí)程模擬、風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布模型、雨流法以及Miner疲勞累積損傷理論為基礎(chǔ)，提出了基于時(shí)域法的高聳塔器風(fēng)致疲勞壽命數(shù)值計(jì)算方法，并針對(duì)某一典型高聳塔器進(jìn)行了相關(guān)分析。結(jié)果表明：長(zhǎng)時(shí)間的空塔工況可能導(dǎo)致該塔器嚴(yán)重的疲勞損傷甚至失效，而操作工況下的風(fēng)致疲勞壽命一般可以滿足設(shè)計(jì)年限要求；橫風(fēng)向共振是引起該塔器空塔工況風(fēng)致疲勞的決定性因素，而強(qiáng)風(fēng)造成的順風(fēng)向振動(dòng)是導(dǎo)致其操作工況下疲勞損傷的主要原因；該塔器空塔和操作工況下的疲勞分布曲線分別呈多峰型和單峰型，可見(jiàn)順風(fēng)向的疲勞損傷比橫風(fēng)向更為集中。

風(fēng)振；疲勞壽命；高聳塔器；風(fēng)載荷

0　引言

高聳塔器，即高聳類塔式容器，是石油化工和煉油生產(chǎn)中重要的單元操作設(shè)備，其高度可超過(guò)50 m。對(duì)于這種細(xì)長(zhǎng)的自支撐式直立結(jié)構(gòu)，風(fēng)載荷是其較為敏感的載荷之一,尤其在沿海多風(fēng)地區(qū)，長(zhǎng)期頻繁的風(fēng)致振動(dòng)產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力，可能會(huì)導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)疲勞損傷甚至失效。近年來(lái)由此發(fā)生的事故也對(duì)相關(guān)企業(yè)造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。

然而，現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[1-3]普遍將風(fēng)載荷視為短期載荷，尚未考慮多風(fēng)環(huán)境下高聳塔器可能出現(xiàn)的疲勞問(wèn)題，且自然界中的風(fēng)載荷屬于隨機(jī)動(dòng)態(tài)載荷，這使得標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中將其等效為靜載荷的處理方法可能并不適合疲勞分析。同時(shí)，高聳塔器所在地區(qū)的風(fēng)速風(fēng)向都有一定的分布規(guī)律，這也會(huì)影響高聳塔器的風(fēng)致疲勞壽命。目前針對(duì)高聳塔器風(fēng)致疲勞壽命估算方面的研究極少,文獻(xiàn)[4]僅對(duì)高聳塔器的順風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)及其疲勞壽命進(jìn)行了相關(guān)研究，尚未考慮橫風(fēng)向風(fēng)振及風(fēng)速風(fēng)向分布因素對(duì)其疲勞壽命的影響，此方面的研究多集中在諸如通信塔、工業(yè)煙囪等結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域[5-10]。

為此，針對(duì)高聳塔器的結(jié)構(gòu)及工況特性，本文基于隨機(jī)風(fēng)振響應(yīng)的時(shí)程模擬、風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布模型及隨機(jī)疲勞理論，給出了在時(shí)域內(nèi)估算多風(fēng)地區(qū)高聳塔器風(fēng)致疲勞壽命的數(shù)值計(jì)算方法，并針對(duì)某一典型高聳塔器進(jìn)行了相關(guān)分析，得出了該塔器在空塔和操作工況下不同的疲勞壽命及損傷規(guī)律。

1　風(fēng)振響應(yīng)的時(shí)程模擬方法

根據(jù)圓截面細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)風(fēng)振機(jī)理的不同，通常將高聳塔器的風(fēng)振響應(yīng)分為順風(fēng)向和橫風(fēng)向兩個(gè)方向。順風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程模擬方法目前比較成熟，可通過(guò)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的數(shù)值模擬方法，如諧波疊加法、自回歸法等，獲得脈動(dòng)風(fēng)載荷時(shí)程樣本，進(jìn)而通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析方法獲得風(fēng)振時(shí)程響應(yīng)。

與順風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)相比，橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)的時(shí)程模擬大體上仍可按上述模擬方法進(jìn)行，但因橫風(fēng)向風(fēng)振機(jī)理比較復(fù)雜，其模擬細(xì)節(jié)也較為繁瑣。本文模擬橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)的理論基礎(chǔ)，是基于文獻(xiàn)[11-13]提出的理論。該理論認(rèn)為，湍流中的圓截面剛性高聳結(jié)構(gòu)會(huì)受到兩種橫風(fēng)向載荷的疊加作用：一種是由靜止結(jié)構(gòu)尾流中的旋渦脫落所引起的載荷；另一種是來(lái)流紊流引起的載荷。假定這兩種激勵(lì)相互獨(dú)立，則在平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程數(shù)值模擬方法中的橫風(fēng)向風(fēng)載荷功率譜矩陣SL可寫成如下形式：

SL=SL1+SL2

(1)

式中，SL1、SL2分別為旋渦脫落載荷譜矩陣和來(lái)流紊流載荷譜矩陣。

值得注意的是，以上高聳塔器所受的橫風(fēng)向風(fēng)載荷僅適用于塔體振動(dòng)較小時(shí)所受的載荷。若結(jié)構(gòu)發(fā)生誘導(dǎo)共振而產(chǎn)生大幅振動(dòng)，則必須考慮氣動(dòng)彈性的影響。此時(shí)，氣動(dòng)彈性可以看作是氣動(dòng)阻尼作用在結(jié)構(gòu)上，則結(jié)構(gòu)的總阻尼比為

ζ=ζs+ζa

(2)

式中，ζ、ζs和ζa分別是總阻尼比、結(jié)構(gòu)阻尼比和氣動(dòng)阻尼比。

氣動(dòng)阻尼比ζa可由下式求得:

(3)

式中，ρ為空氣密度；M*為結(jié)構(gòu)的廣義質(zhì)量；H為結(jié)構(gòu)的總高度；z為結(jié)構(gòu)上的任一高度；Ka0(z)、D(z)和φ(z)分別為結(jié)構(gòu)任一高度z處的氣動(dòng)力系數(shù)、外徑和振型函數(shù)。

2　基于風(fēng)速分布的疲勞壽命計(jì)算方法

在氣象統(tǒng)計(jì)中，為了更加精確地掌握不同方向上的風(fēng)速分布信息，通常將風(fēng)向擴(kuò)展為16個(gè)方向。為便于疲勞壽命分析，相應(yīng)地以高聳結(jié)構(gòu)為圓心，把風(fēng)作用的平面等分為16個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域用一個(gè)風(fēng)向角代替，規(guī)定0°風(fēng)向角的方向指向正北，且各風(fēng)向角的角度按順時(shí)針依次增大，則各風(fēng)向角及對(duì)應(yīng)的風(fēng)向如圖1所示。

圖1　風(fēng)向與風(fēng)向角

對(duì)每個(gè)區(qū)域內(nèi)平均風(fēng)出現(xiàn)的頻率、強(qiáng)度分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，便可得到風(fēng)速與風(fēng)向的聯(lián)合分布規(guī)律。研究高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)致疲勞問(wèn)題應(yīng)采用Weibull分布[14]，其分布函數(shù)的表達(dá)式如下：

(4)

式中，U為10 m高度處的平均風(fēng)速；f(θ)為各風(fēng)向角的頻度函數(shù)；a(θ)、r(θ)均為與風(fēng)速概率分布有關(guān)的參數(shù)。

將上述概率分布函數(shù)離散化，分成與各參考風(fēng)速vi相關(guān)的N個(gè)區(qū)間(i=1,2,…，N)，使得每個(gè)區(qū)間[Ui,Ui+1)的中值為vi；令風(fēng)作用的第j個(gè)風(fēng)向角為θj(θ1為0°風(fēng)向角，θj下標(biāo)隨風(fēng)向角順時(shí)針增大)，那么參考風(fēng)速vi在風(fēng)向角θj上的概率為

Pij=P(Ui+1

(5)

計(jì)算風(fēng)致疲勞壽命時(shí)，通常將高聳塔器最先發(fā)生疲勞破壞的截面定義為危險(xiǎn)截面，則危險(xiǎn)截面的疲勞壽命，即為該塔器的疲勞壽命。假定順風(fēng)向與橫風(fēng)向振動(dòng)是相互獨(dú)立的，且高聳塔器危險(xiǎn)截面關(guān)于中心對(duì)稱。如圖2所示，當(dāng)參考風(fēng)速為vi、風(fēng)向角為θj時(shí)，其危險(xiǎn)截面方向?yàn)棣萲(風(fēng)向角的角度也可指代危險(xiǎn)截面上的方向位置)上單位時(shí)間T內(nèi)的應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)為

σi α(t)=σix(t)cosα+σiy(t)sinα

(6)

式中，α為風(fēng)向角θj與截面方向θk間的夾角，α=θj-θk；σix(t)為疊加平均風(fēng)引起的平均應(yīng)力后的順風(fēng)向應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)；σiy(t)為橫風(fēng)向應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)。

圖2　危險(xiǎn)截面上的應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)

通過(guò)雨流法統(tǒng)計(jì)應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)σi α(t)的應(yīng)力循環(huán)，再由特定的疲勞曲線和Miner疲勞累積損傷理論，便可計(jì)算出上述應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)在單位時(shí)間T內(nèi)的疲勞損傷Dk(vi,θj)?？紤]風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布，則危險(xiǎn)截面θk方向上引起的疲勞損傷為

(7)

這里忽略高聳塔器危險(xiǎn)截面上平均應(yīng)力為壓應(yīng)力的應(yīng)力時(shí)程對(duì)塔器造成的疲勞損傷。取上述疲勞損傷的最大值為Dmax，其所在的方向?yàn)槠谥髁鸭y的萌生和擴(kuò)展方向，故結(jié)構(gòu)的風(fēng)致疲勞壽命Ts為

(8)

3　典型高聳塔器分析

圖3　塔器結(jié)構(gòu)及模擬點(diǎn)分布

本文以沿海某一典型的高聳塔器(圖3)為研究對(duì)象，該結(jié)構(gòu)高52.8m。一般來(lái)說(shuō)，高聳塔器在使用壽命期間大多處于操作工況，但是有報(bào)道指出高聳塔器在安裝期間的空塔狀態(tài)也是容易發(fā)生事故的階段[15]。為此，本文針對(duì)該塔器在上述兩種工況下對(duì)應(yīng)的不同結(jié)構(gòu)形式與振動(dòng)參數(shù)(表1)，將分別對(duì)其風(fēng)致疲勞壽命及損傷規(guī)律進(jìn)行分析。

表1　空塔與操作工況的參數(shù)對(duì)比

3.1風(fēng)載荷的時(shí)程模擬

選取模擬風(fēng)載荷時(shí)程樣本的最小參考風(fēng)速為4m/s，最大參考風(fēng)速為32m/s，中間相鄰的參考風(fēng)速取值間隔一般為2m/s，但塔器發(fā)生共振時(shí)的取值間隔為1m/s。由此，利用諧波疊加法[4,16]分別模擬了該塔器在上述兩種工況下T=600s內(nèi)10點(diǎn)的順風(fēng)向風(fēng)和橫風(fēng)向風(fēng)載荷時(shí)程樣本，模擬參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[4,17]，模擬點(diǎn)的分布如圖3所示。

圖4示出了該塔器在操作工況下兩點(diǎn)的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷時(shí)程樣本。

(a)第4模擬點(diǎn)(vi=32 m/s)

(b)第8模擬點(diǎn)(vi=32 m/s)圖4　脈動(dòng)風(fēng)載荷時(shí)程樣本

圖5所示為空塔工況下第4點(diǎn)的風(fēng)載荷時(shí)程樣本，可見(jiàn)與脈動(dòng)風(fēng)載荷不同的是，橫風(fēng)向風(fēng)載荷的波動(dòng)頻率隨風(fēng)速的增加而增大。

(a)參考風(fēng)速vi=8 m/s

(b)參考風(fēng)速vi=16 m/s圖5　不同風(fēng)速下的橫風(fēng)向風(fēng)載荷時(shí)程樣本

3.2風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布函數(shù)的選擇

目前沿海地區(qū)的風(fēng)速風(fēng)向統(tǒng)計(jì)資料較少，且多數(shù)是針對(duì)極值樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。若采用這類分布函數(shù)對(duì)高聳塔器的風(fēng)致疲勞壽命進(jìn)行估算，將會(huì)低估其疲勞壽命。文獻(xiàn)[18]根據(jù)澳門1901～2000年的百年氣候資料，給出了該地區(qū)在總體樣本下的風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布函數(shù)，該分布函數(shù)分為1901～1951年與1952～2000年兩部分。為避免城市發(fā)展對(duì)風(fēng)速的影響，本文采用前者的聯(lián)合分布Weibull函數(shù)作為我國(guó)沿海地區(qū)的多風(fēng)環(huán)境進(jìn)行高聳塔器風(fēng)致疲勞壽命分析。圖6給出了2組離散化后的風(fēng)速概率分布圖，可知不同風(fēng)向上的風(fēng)速概率分布形式有所不同，但風(fēng)速大部分都分布在16m/s以內(nèi)。

3.3應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)的模擬

(a)θj=0°

(b)θj=112.5°圖6　風(fēng)速的離散化概率分布

為研究應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)風(fēng)致疲勞壽命的影響，本文在危險(xiǎn)截面處(圖7a)設(shè)計(jì)兩種焊腳高度：圖7b所示為較為適宜的焊腳高度，圖7c所示為存在較大應(yīng)力集中的焊腳高度。利用有限元法求得焊腳高度h分別為45mm與30mm對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)k分別為3.393與5.009。

(a)危險(xiǎn)截面:A-A　　(b)h=45 mm(c)h=30 mm圖7　危險(xiǎn)截面處的結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)高聳塔器風(fēng)振響應(yīng)的有限元求解方法[4]，將模擬的風(fēng)載荷時(shí)程樣本加載到有限元模型上求解，獲得了該塔器危險(xiǎn)截面在不同方向上T=600s的應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)。圖8給出了該塔器共振風(fēng)速下空塔不同夾角α對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)截面上的應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)。

(a)α=0°

(b)α=45°圖8　空塔的應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)(vi=12 m/s，h=45 mm)

3.4雨流法統(tǒng)計(jì)應(yīng)力循環(huán)

對(duì)模擬所得的各風(fēng)速與夾角下T=600s的危險(xiǎn)截面應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)樣本σi α(t)，采用雨流法[19]統(tǒng)計(jì)其應(yīng)力循環(huán)，包括每個(gè)應(yīng)力循環(huán)的平均應(yīng)力、應(yīng)力幅。圖 9將危險(xiǎn)風(fēng)速下該塔器兩種工況對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)再次進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，可見(jiàn)平均應(yīng)力與應(yīng)力幅的分布具有一定的集中性，即在中間區(qū)域分布較多，在平均應(yīng)力和應(yīng)力幅較大或較少的區(qū)域分布都比較稀疏。

(a)空塔工況

(b)操作工況圖9　采用雨流法統(tǒng)計(jì)應(yīng)力循環(huán)

3.5結(jié)果分析

本文的疲勞曲線采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS5500中的疲勞曲線，該疲勞曲線針對(duì)不同的焊接接頭形式和焊接缺陷種類，給出了6種評(píng)定等級(jí)下的疲勞曲線(圖10)。

圖10　BS5500中的疲勞曲線(E=209 GPa)

由此，針對(duì)高聳塔危險(xiǎn)截面處的焊接結(jié)構(gòu)及缺陷形式選擇相應(yīng)等級(jí)的疲勞曲線, 并結(jié)合各風(fēng)速下危險(xiǎn)截面的應(yīng)力循環(huán)以及風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布函數(shù)，便可對(duì)該塔器疲勞壽命計(jì)算。

為便于對(duì)疲勞壽命計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，本節(jié)首先統(tǒng)計(jì)了該塔器兩種工況下危險(xiǎn)截面脈動(dòng)應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)的均方根值，脈動(dòng)應(yīng)力均方根值在一定程度上可反映應(yīng)力幅值水平，其順風(fēng)向與橫風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示。結(jié)合該塔器的參數(shù)信息(表1)，可知在操作工況下，由于該塔器安裝了保溫層和平臺(tái)，增加了塔體的迎風(fēng)面積，使得同一參考風(fēng)速下順風(fēng)向的脈動(dòng)應(yīng)力均方根均大于空塔工況。對(duì)于空塔工況而言，由于其振動(dòng)頻率高于操作工況，使得空塔的橫風(fēng)向共振響應(yīng)峰值發(fā)生在風(fēng)速為12m/s左右，而操作工況為風(fēng)速6m/s左右，共振風(fēng)速的增大導(dǎo)致了空塔工況的共振響應(yīng)要明顯大于操作工況，且共振風(fēng)速范圍也要大于操作工況。

圖11　各參考風(fēng)速下的脈動(dòng)應(yīng)力均方根值(h=45 mm)

該塔器三種評(píng)定等級(jí)下的風(fēng)致疲勞壽命分別如表2、表3所示，表中E等級(jí)表示無(wú)明顯缺陷，F(xiàn)、F2表示該塔器危險(xiǎn)截面的焊縫有缺陷，其中部分未焊透缺陷可以定為F2級(jí)。

表2　空塔工況下的風(fēng)致疲勞壽命計(jì)算值　年

表3　操作工況下的風(fēng)致疲勞壽命計(jì)算值　年

由圖11與表2分析可知，對(duì)于空塔工況而言，由于橫風(fēng)向共振響應(yīng)出現(xiàn)在參考風(fēng)速為8～20m/s之間，其中參考風(fēng)速為10～16m/s的橫風(fēng)向脈動(dòng)應(yīng)力均方根顯著大于順風(fēng)向，而當(dāng)參考風(fēng)速大于16m/s時(shí)，雖然順風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)要大于橫風(fēng)向，但此時(shí)強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)的概率又很低(圖6)，這使得橫風(fēng)向振動(dòng)是引起該塔器風(fēng)致疲勞的決定性因素，順風(fēng)向振動(dòng)引起的疲勞損傷可以忽略。從表2可以看出：在無(wú)明顯缺陷的E等級(jí)下，空塔工況的風(fēng)致疲勞壽命僅約為3年，如果該空塔存在較為嚴(yán)重的缺陷或者危險(xiǎn)截面有較大的應(yīng)力集中，在沿海多風(fēng)地區(qū)的風(fēng)致疲勞壽命可能不足半年。因此，長(zhǎng)時(shí)間的空塔工況可能導(dǎo)致該塔器比較嚴(yán)重的疲勞損傷甚至失效。

由圖11與表3可知，當(dāng)該塔器處在操作工況時(shí)，橫風(fēng)向共振響應(yīng)僅發(fā)生在參考風(fēng)速為6m/s左右的弱風(fēng)條件下，共振響應(yīng)不明顯，且當(dāng)參考風(fēng)速大于8m/s時(shí)，其順風(fēng)向的響應(yīng)基本隨風(fēng)速呈指數(shù)型增大，同風(fēng)速下的脈動(dòng)應(yīng)力均方根要顯著大于橫風(fēng)向，這導(dǎo)致了該工況下由順風(fēng)向振動(dòng)引起的疲勞損傷成為了其風(fēng)致疲勞失效的主要原因。由表3可知，若該塔器無(wú)明顯的缺陷或較大的應(yīng)力集中，其操作工況下的風(fēng)致疲勞壽命可以滿足沿海多風(fēng)地區(qū)的使用年限(20～30年)要求。

圖12表示該塔器達(dá)到疲勞壽命時(shí)不同截面方向上的疲勞損傷分布情況，同時(shí)該圖還包含僅考慮順風(fēng)向與橫風(fēng)向風(fēng)振引起的損傷。從圖12可以看出，兩種工況下的疲勞損傷分布差異較大。在空塔工況下，橫風(fēng)向風(fēng)致疲勞控制著截面疲勞損傷的分布，順風(fēng)向疲勞損傷可以不計(jì)，而操作工況下主要影響疲勞損傷分布的是順風(fēng)向的風(fēng)致疲勞損傷。另外，由順風(fēng)向主導(dǎo)的疲勞損傷分布曲線形狀呈單峰型，而橫風(fēng)向則呈多峰型，可見(jiàn)順風(fēng)向的疲勞損傷比橫風(fēng)向更為集中。

(a)空塔工況

(b)操作工況圖12　不同截面方向上的疲勞損傷分布(E等級(jí),h=45 mm)

圖13給出了該塔器達(dá)到E等級(jí)對(duì)應(yīng)的疲勞壽命時(shí)，不同參考風(fēng)速下的疲勞損傷分布情況。從圖13可以看出，該塔器操作工況下的疲勞損傷基本分布在16m/s以上的大風(fēng)條件下。這是由于順風(fēng)向振動(dòng)引起的疲勞損傷是引起該塔器操作工況下風(fēng)致疲勞失效的主要原因，且順風(fēng)向風(fēng)振只有在強(qiáng)風(fēng)條件下才能引起較大的應(yīng)力幅值。對(duì)于空塔而言，雖然強(qiáng)風(fēng)下的順風(fēng)向響應(yīng)也能產(chǎn)生較大的應(yīng)力幅值，但是相比頻繁的橫風(fēng)向共振響應(yīng)而言，其引起疲勞累積損傷是可以忽略的，所以圖13中空塔工況的疲勞損傷絕大部分都集中在風(fēng)誘導(dǎo)共振風(fēng)速條件下。

圖13　不同參考風(fēng)速下的疲勞損傷分布(E等級(jí),h=45 mm)

4　結(jié)論

(1)長(zhǎng)時(shí)間的空塔工況可能導(dǎo)致該塔器嚴(yán)重的疲勞損傷甚至失效，但若該塔器無(wú)明顯的缺陷或較高的應(yīng)力集中，其在操作工況下的疲勞壽命一般可以滿足設(shè)計(jì)壽命要求。

(2)橫風(fēng)向共振是引起該塔器空塔風(fēng)致疲勞的決定性因素，而風(fēng)速在16m/s以上的大風(fēng)造成的順風(fēng)向振動(dòng)是導(dǎo)致該塔器在操作工況下風(fēng)致疲勞損傷的主要原因。

(3)該塔器空塔和操作工況下的疲勞分布曲線分別呈多峰型和單峰型，可見(jiàn)順風(fēng)向的疲勞損傷比橫風(fēng)向更為集中。

[1]全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB/T4710-2005鋼制塔式容器[S]. 北京:新華出版社，2005.

[2]AmericanSocietyofCivilEngineers.ASCE/SEI7-10StructuralEngineeringInstitute.MinimumDesignLoadsforBuildingsandOtherStructures[S].Reston:AmericanSocietyofCivilEngineers，2010.

[3]上海市建設(shè)和交通委員會(huì).GB50135-2006 高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.

[4]汪睿, 陳學(xué)東, 范志超, 等. 高聳塔器順風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)與疲勞壽命數(shù)值分析[J]. 壓力容器, 2013, 30(11):29-36.

WangRui,ChenXuedong,Fanzhichao,etal.NumericalAnalysisofAlong-windResponseandFatigueLifeofHigh-riseTower[J].PressureVesselTechnology, 2013, 30(11):29-36.

[5]RepettoMP,SolariG.DirectionalWind-inducedFatigueofSlenderVerticalStructures[J].J.Struct.Eng.-ASCE, 2004, 130(7):1032-1040.

[6]RepettoMP,SolariG.Wind-inducedFatigueCollapseofRealSlenderStructures[J].EngineeringStructures, 2010, 32(12):3888-3898.

[7]VerboomGK,vanKotenH.VortexExcitation:ThreeDesignRulesTestedon13IndustrialChimneys[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics, 2010, 98(3):145-154.

[8]PagniniL,RepettoMP.TheRoleofParameterUncertaintiesintheDamagePredictionoftheAlongwind-inducedFatigue[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics, 2012, 104(3): 227-238.

[9]王欽華, 顧明. 鋼天線風(fēng)致疲勞研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 36(8):1040-1044.

WangQinhua,GuMing.DirectionalWind-inducedFatigueofaRealSteelAntenna[J].JournalofTongjiUniversity(NaturalScience), 2008, 36(8):1040-1044.

[10]鄧洪洲, 屠海明, 王肇民. 桅桿結(jié)構(gòu)隨機(jī)風(fēng)振疲勞研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2003, 36(4):19-23.

DengHongzhou,TuHaiming,WangZhaomin.StudyonStochasticFatigueofGuyedMastsUnderWindLoad[J].ChinaCivilEngineeringJournal, 2003, 36(4):19-23.

[11]VickeryBJ,BasuRI.Across-windVibrationsofStructuresofCircularCross-section.PartI.DevelopmentofaMathematicalModelforTwo-dimensionalConditions[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics, 1983, 12(1):49-73.

[12]VickeryBJ,ClarkAW.LiftorAcross-windResponsetoTaperedStacks[J].JournaloftheStructuralDivision,ASCE, 1972, 98(1):1-20.

[13]BasuRI,VickeryBJ.Across-windVibrationsofStructureofCircularCross-section. 2.DevelopmentofaMathematicalModelforFull-scaleApplication[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics, 1983, 12(1):75-97.

[14]HolmesJD.FatigueLifeunderAlong-windLoading—closed-formSolutions[J].EngineeringStructures, 2002, 24(1):109-114.

[15]吳運(yùn)祥, 潘建華. 風(fēng)誘導(dǎo)共振作用下高聳空塔局部結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算[J]. 壓力容器, 2009, 26(12):20-22.

WuYunxiang,Panjianhua.FatigueEnduranceCalculationforHigh-risingEmptyTowersunderWind-inducedResonanceVibration[J].PressureVesselTechnology, 2009, 26(12):20-22.

[16]DeodatisG,MemberA.SimulationofErgodicMultivariateStochasticProcesses[J].J.Eng.Mech.,ASCE, 1996, 122(8):778-787.

[17]SimiuE,ScanlanRH.WindEffectsonStructures:FundamentalsandApplicationstoDesign[M].NewYork:JohnWiley, 1996.

[18]陳雋, 趙旭東. 總體樣本風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合概率分析方法[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(1):63-70.

ChenJun,ZhaoXudong.AnalyticalMethodofJointProbabilityDensityFunctionofWindSpeedandDirectionfromParentPopulation[J].JournalofDisasterPreventionandMitigationEngineering, 2009, 29(1):63-70.

[19]NieslonyA.DeterminationofFragmentsofMultiaxialServiceLoadingStronglyInfluencingtheFatigueofMachineComponents[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing, 2009, 23(8):2712-2721.

(編輯郭偉)

Time-domain Analysis of Wind-induced Fatigue Life for High-rising Column

Wang Rui1,2Chen Xuedong1,2Fan Zhichao1

1.National Technology Research Center on Pressure Vessel and Pipeline Safety Engineering, Hefei General Machinery Research Institute,Hefei,230031 2.Zhejiang University of Technology,Hangzhou,310014

The long-term wind-induced vibration would cause fatigue failure of high-rising columns in windy coastal areas. Therefore, a numerical method of wind-induced fatigue life calculation for high-rising columns was proposed, based on time-history simulation of random wind-induced stress responses, joint distribution model of wind speed and wind direction, rain-flow method and Miner fatigue cumulative damage rule. Then a typical example illustrated the method and indicates that serious fatigue damage or failure might will be induced by the long time empty conditions for this column, while the wind-induced fatigue life in the operating conditions can meet the design demand; cross-wind resonance is the decisive factor of wind-induced fatigue for this empty column, compared with the along-wind vibration producing the mainly fatigue damage in operating conditions caused by the strong wind. The difference of fatigue distribution curves that one with single peak and the other several peaks in the empty and operating conditions shows the along-wind fatigue damage is more concentrated than that of the cross-wind.

wind-induced vibration；fatigue life；high-rising column；wind load

2014-12-04

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAK03B02)

TQ053.5; O324DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.17.006

汪睿，男，1990年生。合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心助理工程師，浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)轱L(fēng)振疲勞壽命分析。陳學(xué)東，男，1964年生。合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心研究員，浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。范志超，男，1974年生。合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心研究員。