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      港口高聳煙囪風(fēng)荷載的風(fēng)洞試驗(yàn)研究及中美規(guī)范對比

      2020-02-22 11:33:04
      水道港口 2020年6期
      關(guān)鍵詞:靜風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)順風(fēng)

      高 科

      (河北港口集團(tuán)港口工程公司,秦皇島 066000)

      高聳煙囪結(jié)構(gòu)屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu),其順風(fēng)向及橫風(fēng)向等效靜風(fēng)荷載的確定是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1-2]。港口風(fēng)災(zāi)頻發(fā),設(shè)計(jì)風(fēng)速較大,因此港區(qū)風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)安全尤為重要。復(fù)雜環(huán)境干擾下的高聳煙囪設(shè)計(jì)風(fēng)荷載取值往往需要通過風(fēng)洞試驗(yàn)確定[3-5]。不同于高層建筑結(jié)構(gòu)[6],煙囪結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與國際相關(guān)規(guī)范的對比研究較少。本文以某港口電廠275 m混凝土煙囪為例,設(shè)計(jì)風(fēng)速為80 m/s(50 a一遇,開闊地貌,10 m高,3 s陣風(fēng)風(fēng)速),通過風(fēng)洞試驗(yàn)及風(fēng)振響應(yīng)分析確定了該煙囪的等效靜風(fēng)荷載,并與中國規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[7]、《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50051-2013)[8]、美國規(guī)范MinimumDesignLoadsforBuildingsandOtherStructuresASCE7-16[9]及CodeRequirementsforReinforcedConcreteChimneysACI307-08[10]計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比,明確規(guī)范的適用范圍,并為類似工程的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

      1 風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理方法

      1.1 剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)

      本試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所的TKS-400大氣邊界層風(fēng)洞進(jìn)行。該風(fēng)洞是一座水平直流吹出式單試驗(yàn)段風(fēng)洞,風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為寬4.4 m × 高2.5 m × 長15 m,為了減小試驗(yàn)段內(nèi)的軸向靜壓梯度,試驗(yàn)段兩側(cè)壁設(shè)置了0.195°的當(dāng)量擴(kuò)散角,試驗(yàn)段最大風(fēng)速為30 m/s[11]。模擬美國規(guī)范ASCE 7-16[9]中的開闊地貌C類風(fēng)場,其風(fēng)速計(jì)湍流度剖面,如式(1)~(2)所示,風(fēng)洞試驗(yàn)流場模擬基本情況如圖1所示。

      (1)

      I(z)=0.20·(10/z)1/6

      (2)

      剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)主要考察煙囪結(jié)構(gòu)在周邊建筑設(shè)施干擾下的風(fēng)力(表面壓力及基底力)。根據(jù)建筑圖對縮尺剛性測壓和測力模型進(jìn)行制作,同時(shí)根據(jù)場地總平面圖同比例對周邊建筑設(shè)施模型進(jìn)行制作。根據(jù)ASCE7-16[9],在滿足縮尺模型幾何相似的情況下,按照風(fēng)洞截面阻塞比不超過5%的原則,模型幾何縮尺比取為1∶200。測壓模型在煙囪表面每隔10 m布置10~20個(gè)測點(diǎn),共計(jì)測點(diǎn)數(shù)377個(gè),各層測點(diǎn)選用不同長度的PVC測壓管,管長從0.30 m變化到1.65 m,在數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行了頻響修正。測力模型模擬煙囪的氣動(dòng)外形,底部設(shè)置與測力天平連接底座,測量煙囪的脈動(dòng)基底風(fēng)力。為模擬煙囪在高雷諾數(shù)流場的作用,參考ESDU[12]數(shù)據(jù)進(jìn)行表面刻痕。

      進(jìn)行測壓試驗(yàn)時(shí),采用PSI壓力掃描閥對測點(diǎn)的脈動(dòng)壓力進(jìn)行同步采集,壓力掃描閥采樣頻率為330 Hz;測力試驗(yàn)時(shí),采用ATI測力天平對模型基底風(fēng)力進(jìn)行測量,采樣頻率為1 000 Hz。采樣時(shí)長為90 s,根據(jù)斯托羅哈相似準(zhǔn)則換算,對應(yīng)于實(shí)際的32 min。

      1-a 風(fēng)洞試驗(yàn)布置照片1-b 大氣邊界層風(fēng)剖面模擬情況

      1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

      (3)

      對風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到平均風(fēng)壓系數(shù)與均方根風(fēng)壓系數(shù)如式(4)~(5)所示。

      (4)

      (5)

      圖2給出了在不考慮周邊建筑物影響下,煙囪2/3高度處的風(fēng)壓系數(shù)的分布圖,并將本文試驗(yàn)結(jié)果與不同雷諾數(shù)下相關(guān)圓柱類結(jié)構(gòu)實(shí)測數(shù)據(jù)[4]對比。由圖可以看出,本實(shí)驗(yàn)對煙囪刻痕的處理能夠模擬高雷諾數(shù)流場對煙囪的作用。

      測力試驗(yàn)所得到的基底風(fēng)力和力矩時(shí)程Fi(tk)、Mi(tk)(本項(xiàng)目主要考察x、y向,因此i=x,y)無量綱化為體軸風(fēng)力(矩)系數(shù)時(shí)程,如式(6)~(7)。

      (6)

      (7)

      式中:A為模型迎風(fēng)面積,H為模型高度。將測壓試驗(yàn)得到的風(fēng)壓力Pi(tk)按式(8)~(9)進(jìn)行積分,也可得到體軸風(fēng)力(矩)系數(shù)時(shí)程

      (8)

      (9)

      式中:Ai為測點(diǎn)i的附屬面積,Hi為測點(diǎn)i的高度,θx,yi為測點(diǎn)i在x、y方向上的法向量。

      按上述方法得到的測壓實(shí)驗(yàn)與測力實(shí)驗(yàn)風(fēng)力系數(shù)進(jìn)行對比如圖3所示。由圖可見,測壓試驗(yàn)結(jié)果與測力試驗(yàn)結(jié)果較為吻合,驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

      圖2 試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比

      圖4 風(fēng)力體型系數(shù)沿高度的變化

      風(fēng)洞試驗(yàn)得到的各個(gè)高度上的風(fēng)力體型系數(shù)見圖4,由圖可見,當(dāng)不考慮周邊干擾效應(yīng)時(shí),單煙囪風(fēng)力體型系數(shù)沿高度的分布較為均勻,在煙囪頂部數(shù)值較大,與美國規(guī)范ACI307-08建議值較為接近??紤]周邊建筑的干擾最不利風(fēng)向出現(xiàn)在90°風(fēng)向,兩側(cè)建筑正面迎風(fēng)對氣流形成阻塞,狹道效應(yīng)使得煙囪底部風(fēng)力體型系數(shù)增加,從而導(dǎo)致該風(fēng)向下煙囪受力最為不利。后續(xù)分析主要圍繞單煙囪工況和干擾效應(yīng)下的最不利風(fēng)向進(jìn)行詳細(xì)分析。

      2 風(fēng)振響應(yīng)分析及等效靜風(fēng)荷載

      2.1 分析方法

      將剛性模型測壓實(shí)驗(yàn)得到的脈動(dòng)風(fēng)荷載時(shí)程加載在煙囪結(jié)構(gòu)的有限元模型上,采用動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析法對模型進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析,采用Newmark-β法求解動(dòng)力方程(10)。

      (10)

      式中:M、C、K為質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣,q(t)為風(fēng)振響應(yīng)向量,F(xiàn)(t)為風(fēng)荷載向量。

      脈動(dòng)風(fēng)荷載時(shí)程F(t)取自風(fēng)洞試驗(yàn),再根據(jù)斯托羅哈相似準(zhǔn)則式(11)確定作用在實(shí)際結(jié)構(gòu)上的加載步長及脈動(dòng)風(fēng)荷載時(shí)程。

      (11)

      式中:f為頻率,L為幾何尺寸,U為風(fēng)速,下標(biāo)m表示模型,p表示原型。風(fēng)洞試驗(yàn)中脈動(dòng)風(fēng)壓測量采樣頻率為fs(m)=330 Hz,幾何縮尺比為Lm/Lp=1:200,參考高度處(對應(yīng)于實(shí)際高度為270 m處)平均風(fēng)速為10.0 m/s,場地50 a一遇的3 s基本風(fēng)速為80 m/s,考慮重要性系數(shù)I=1.15(ASCE 7-05),對應(yīng)實(shí)際參考高度處1 h時(shí)距平均風(fēng)速為92.6 m/s。根據(jù)式(11)可得作用在實(shí)際結(jié)構(gòu)上的加載頻率為fs(p)=15.28 Hz,加載步長為65.45 ms。設(shè)定風(fēng)荷載的加載步數(shù)為10 000步,相當(dāng)于實(shí)際結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力分析的總加載時(shí)間為654.5 s(大于10 min)。

      計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)采用瑞利結(jié)構(gòu)阻尼,其式如下

      C=aM+bK

      (12)

      (13)

      5-a 有限元模型 5-b f1=0.43 Hz 5-c f2=1.60 Hz 5-d f3=3.58 Hz

      式中:a和b分別為瑞利阻尼中的常量。由結(jié)構(gòu)的阻尼比(ξ,根據(jù)ACI307-08,取0.015)和結(jié)構(gòu)前兩階自振頻率(ω1和ω2)采用式(13)計(jì)算得到。根據(jù)模態(tài)分析,結(jié)構(gòu)前三階振型及頻率如圖5所示。

      (14)

      式中:g為峰值因子。對于橫風(fēng)向等效靜風(fēng)荷載,按照ACI 307-08和GB50051-2013中建議的方法,以基底橫風(fēng)向極值力矩為等效目標(biāo),按照一階振型的分布形式反推到各標(biāo)高得到。

      6-a 頂點(diǎn)位移響應(yīng)6-b 基底彎矩響應(yīng)

      2.2 分析結(jié)果

      采用風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對該煙囪進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析,得到頂點(diǎn)位移響應(yīng)時(shí)程、基底彎矩響應(yīng)時(shí)程如圖6所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,最不利風(fēng)向下煙囪結(jié)構(gòu)順風(fēng)向極值位移404.4 mm,橫風(fēng)向極值位移為412.4 mm,位移組合值為454.3 mm,小于ACI 307-08煙囪結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的側(cè)向最大位移限值0.04H/12=900 mm;最不利風(fēng)向下煙囪結(jié)構(gòu)順風(fēng)向極值剪力為3.374×104kN,橫風(fēng)向極值剪力為3.081×104kN,剪力組合值為3.612×104kN;順風(fēng)向極值彎矩為5.078×106kN·m,橫風(fēng)向極值彎矩為5.090×106kN·m,彎矩組合值為5.666×104kN·m。

      對于順風(fēng)向等效靜風(fēng)荷載,分別以基底彎矩為等效目標(biāo)按式求得的風(fēng)振系數(shù)為1.92,順風(fēng)向和橫風(fēng)向等效靜風(fēng)荷載將在下一節(jié)與中美規(guī)范對比給出。

      3 等效靜風(fēng)荷載的中美規(guī)范對比

      3.1 中國規(guī)范計(jì)算方法

      對于順風(fēng)向等效靜風(fēng)荷載wkl,采用中國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[7]的計(jì)算方法,由下式表示

      wkl=βzμsμzw0

      (15)

      式中:w0為基本風(fēng)壓,μz為高度變化系數(shù),μs為風(fēng)荷載體型系數(shù),βz為風(fēng)振系數(shù),按下式計(jì)算

      (16)

      式中:g為峰值因子,I10為10 m高度處的湍流強(qiáng)度,Bz為背景分量因子,按式(17)計(jì)算,R為共振分量因子,按式(18)計(jì)算。

      (17)

      式中:H為煙囪的高度,k、a1為與地面粗糙度相關(guān)的系數(shù),對于港口煙囪結(jié)構(gòu)分別取1.276和0.186,φz為振型系數(shù)。

      (18)

      根據(jù)中國《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50051-2013)[8],當(dāng)雷諾數(shù)Re(= 69 000UD)≥ 3.5×106且1.2UH>Ucr=f1D/St時(shí)(St為無量綱旋渦脫落頻率,對于圓形結(jié)構(gòu)取值為0.2~0.3),橫風(fēng)向共振等效靜風(fēng)荷載wkc按下式計(jì)算

      (19)

      當(dāng)煙囪發(fā)生橫風(fēng)向共振時(shí),橫風(fēng)向共振荷載與對應(yīng)風(fēng)速下的順風(fēng)向等效靜風(fēng)荷載進(jìn)行平方和開根號組合。

      3.2 美國規(guī)范計(jì)算方法

      美國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范ASCE7-16[9]中給出的順風(fēng)向等效靜風(fēng)荷載采用陣風(fēng)荷載因子法,其計(jì)算公式為

      (20)

      式中:Gf為陣風(fēng)荷載因子,由式(21)計(jì)算。

      (21)

      式中:gQ、gR和gv分別為背景、共振響應(yīng)和脈動(dòng)風(fēng)速的峰值因子,I為高度0.6H處的湍流強(qiáng)度,Q為背景效應(yīng)因子,R為共振效應(yīng)因子。

      根據(jù)美國混凝土煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范ACI307-08[10],煙囪結(jié)構(gòu)順風(fēng)向等效靜風(fēng)荷載wkl由平均和脈動(dòng)兩部分組成,表示為下式

      (22)

      (23)

      (24)

      (25)

      式中:Bw=0.1+2/ln(45.6H)為譜帶寬參數(shù)。根據(jù)一階模態(tài)計(jì)算各高度上的橫風(fēng)向風(fēng)荷載,再和順風(fēng)向風(fēng)荷載進(jìn)行平方和開根號組合,得到結(jié)構(gòu)的組合風(fēng)效應(yīng)。

      3.3 對比分析

      圖7給出了風(fēng)洞試驗(yàn)得到的等效靜風(fēng)荷載與中美規(guī)范計(jì)算結(jié)果的對比。順風(fēng)向等效靜風(fēng)荷載如圖7-a所示。可以發(fā)現(xiàn),由于中國規(guī)范GB50009-2012[7]中所采用的湍流強(qiáng)度0.14、峰值因子2.5小于美國規(guī)范取值(湍流強(qiáng)度0.20、峰值因子3.4),阻尼比取值0.05大于美國規(guī)范0.015,因而計(jì)算結(jié)果較小。圖中還給出了以中國規(guī)范為基礎(chǔ),上述參數(shù)取值參見美國規(guī)范的計(jì)算結(jié)果(GB 修正參數(shù)),發(fā)現(xiàn)與ACI307-08[10]計(jì)算結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了規(guī)范中計(jì)算方法的一致性。ASCE7-16[9]與其他規(guī)范結(jié)果差異較大是由于其脈動(dòng)風(fēng)荷載按照陣風(fēng)因子簡化,與實(shí)際存在一定差異。由圖可見,單體煙囪風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范計(jì)算值較為接近,但規(guī)范未能考慮周邊建筑引起的干擾放大效應(yīng)。

      7-a 順風(fēng)向7-b 橫風(fēng)向(組合值)

      圖7-b給出了橫風(fēng)向組合等效靜風(fēng)荷載結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn),中美規(guī)范中的橫風(fēng)向等效靜風(fēng)荷載均是按一階振型分布的,將阻尼比統(tǒng)一取為美國規(guī)范所規(guī)定的0.015后,中國規(guī)范計(jì)算結(jié)果略大于美國規(guī)范,總體看來二者與單體煙囪風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果較為吻合,但未能考慮周邊建筑對煙囪下部的平均風(fēng)荷載的放大效應(yīng)。

      4 結(jié)論

      通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到的單體煙囪等效靜風(fēng)荷載結(jié)果與規(guī)范計(jì)算值較為接近,但由于煙囪周邊的附屬設(shè)施及建筑對煙囪風(fēng)荷載可能產(chǎn)生放大效應(yīng),應(yīng)在設(shè)計(jì)中予以重視。對于橫風(fēng)向等效靜風(fēng)荷載的考慮,尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)風(fēng)速大于臨界風(fēng)速時(shí),需要對設(shè)計(jì)風(fēng)速內(nèi)一定范圍內(nèi)橫風(fēng)向風(fēng)振效應(yīng)進(jìn)行綜合考慮,搜索最不利橫風(fēng)向組合風(fēng)效應(yīng)。中美規(guī)范計(jì)算的差異主要體現(xiàn)在對風(fēng)場湍流度、峰值因子、阻尼比的取值差異,其中影響最大的是阻尼比的取值,建議后續(xù)開展相應(yīng)的實(shí)測工作,得到實(shí)際煙囪結(jié)構(gòu)的阻尼特性,更好地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)。

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