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1、钢烟囱设计中橫风向风振效应的控防摘 要：通过理论分析和计算，对自立式钢烟囱的橫风向风振问题 进行探讨，研究钢烟囱橫风向风振的区域和振动规律，并提出解决烟囱晃 动的方法。关键词：钢烟囱； 橫风向风振；设计； 控制钢烟囱上有风荷载作用时，会在烟囱两侧背后产生交替的漩涡，且 将由一侧然后向另一侧交替脱落，形成卡门涡列，卡门涡列的发生会使建 筑物表面的压力呈周期性变化，作用方向与风向垂直，称为横风向风振， 振动伴随着漩涡的出现而产生强迫振动，一旦振动增强，又会有由振动控 制的涡流发生，结构发生剧烈共振，表现出自激振动的特性。钢烟囱发生横风向风振现象在实际工程中时有发生，特别是烟囱刚 度较小时，临界风速
2、一般小于设计的最大风速，因此，临界风速出现的概 率较大，一旦临界风速出现，涡流脱落的频率与烟囱的自振频率相同，烟 囱就会发生横风向共振。橫风向风振带来的危害很大：1)由风振产生的惯性力在结构中引起 附加应力；2)由于风振反应发生的频度较高，有可能使结构产生疲劳效应。 1 横风向风振的相关公式根据GB 500512013烟囱设计规范，对于直立式钢烟囱，当其坡度小于或等于2%时，应根据雷诺系数的不同情况进行橫风向风振验算Re=69 000vd(1a)(1b)VHST：40 VuH w0(1c)式中：vcr,j为第j振型临界风速，m/s； vH为烟囱顶部H处风 速，m/s； v为计算高度处风速，m/
3、s，计算烟囱筒身风振时可取v=vcr,j； d为圆形杆件外径，计算烟囱筒身时，可取烟囱2/3高度处外径；St为斯 托罗哈数，根据GB 500092012建筑结构荷载规范可取0.2； Ti为 结构或杆件的第j振型自振周期，s； uH为烟囱顶部H处风压高度变化 系数；w0为基本风压，kPa。根据GB 500512001烟囱设计规范，等截面自立式钢烟囱自 振周期：(2)式中：Ti为第i振型的周期，s； H为烟囱总高；Et为在温 度作用下的钢材弹性模量，kN/m2；I为筒身下端截面惯性矩，m4；g为重力加速度，取9.8 m/s2;W为筒身底部单位长度重量，kN/m；C1为与振型有关的系数：第1振型取3
4、.515，第2振型取22.034，第3振 型取61.701。对橫风向共振响应等效风荷载的计算按式(3)：(3b)式中：gj为第j振型结构阻尼比；wcz j为橫风向共振响应等效风(3a)A f =入 / (H J H)荷载，kN/m2； H为烟囱高度，m； H1为橫风向共振范围起点高度，m；H2为橫风向共振范围终点高度，m；zj为在z高度处结构的j振型系 数；入j(Hi/H)为振型系数。2 橫风向风振的判定条件对烟囱这种圆形截面的结构，应按不同的雷诺系数Re的情况进行橫风向风振的校核。当Re#3.5X106，且1.2vHvcr, j时，应验算其共振响 应。由式(3)可得:越高大的烟囱其顶部风速越
5、大，越容易满足1.2vHvcr,j 的条件；越低矮的烟囱，其自振周期小，更容易满足Re3.5X106的条 件；是否能同时满足以上两个条件发生橫风向风振，受到较多参数的影响， 并不存在能够快速判断的简单规律，需要针对不同工程计算。3 橫风向风振的影响因素及发展规律假设基本风压为0.4 kPa,地面粗糙度为B类,有一根直径为3 m、 厚度为12 mm的钢烟囱，烟囱高度由低到高逐渐变化进行分析，研究橫 风向风振的发生发展规律。通过计算,不同高度对应的整体弯矩值见表1。 由表1可知：橫风向风振的发生高度为3450 m,此范围外的均不发生 共振，在高度刚刚进入共振区域后，共振对烟囱产生的整体弯矩迅速达到
6、 最大值，接近5 000 kN5m，烟囱高度继续升高，弯矩值逐渐降低，到 达44 m后，弯矩迅速减小。表1为风压0.4 kPa下，直径3 m的钢 烟囱在不同高度时第1振型时底部弯矩值统计情况。通过表1数据可知：在钢烟囱设计过程中，直径为定值的条件下， 烟囱的总高度只要避开产生共振的高度，橫风向风振就不会发生。计算过 程中，HvHvcr,j的条件不能满足;H50 m，Re#3.5X106的条件不能 满足，因此在烟囱较高或较低的时候，均可以避开橫风向风振。烟囱高度 从34 m开始，随着烟囱高度升高，烟囱开始进入橫风向风振范围，此时， 其共振起始高度H1和终止高度H2均较低，高度继续升高，共振终止高
7、度 H2迅速提高至烟囱顶部，烟囱的锁住区高度A H=H1-H2增加很快，而且增 加的量均在烟囱处，弯矩快速增大；随着烟囱的高度的升高，共振起始高 度H1也开始快速上升，整体弯矩逐渐下降，直至H1计算值到达烟囱顶部， 烟囱避开共振区域。表1风压为0.4 kPa时3 m直径钢烟囱的底部弯矩值高度/ m弯矩/vcr,j的共振条件更加难以满足，高振型发生共振 的可能性比低振型要小，高振型与低振型发生共振的烟囱的初始条件并不 一致。由式中起始点高度H1和终点高度H2计算式发现：高振型的H1、 H2变化幅度大，发生共振的直径、高度条件更严，由于临界风速较大，H1、H2位置都会比较高。这也意味着较高振型发生
8、共振可能性下降，因为Hl 的高度可能已经超出烟囱总高度。当风压为0.4 kPa，直径为3 m时不同高度钢烟囱在第2振型时底部弯矩值如表4所示。表4基本风压为0.4 kPa，3 m直径不同高度钢烟囱在第2振型时底部弯矩值高度弯矩/kN5m)高度/m弯矩820,090-21 I9L 18410 403.4f)2-22 257. 186463. 594-1 899* 888-11 794, 1高度/m弯矩/(kN5m)高度/m弯矩/(kN5m)820.090-2ll9l.l84l0403.492-22257.l86463.594-l899.888-l4794.l相比表1与表4,烟囱第2振型风振发生的
9、位置较高，接近GB 50051 2013最高高度限值90 m,表4计算了高于90 m时产生的弯矩值，但 是在实际设计中是不会出现的。由表4可以看出：虽然高振型正向与负向 风荷载可以相互抵消，但是临界风速vcr增加较多，等效风荷载标准值与 ver的平方呈正比，导致第2振型产生的弯矩值可以超过低振型产生的弯 矩，更加危险，因此第2振型的验算是必须且必要的。在设计过程中，可以根据计算第2振型的结果判断是否需要进行第 3、第4振型的风振验算，如果第2振型的H1高度已经很高，可以初步判 断第3振型H1已经超出烟囱总高度，可省略更高振型的验算。GB 50009 2012中有相关规定：“对一般悬臂结构，可只
10、取第1振型或第2振型”。改变钢烟囱的壁厚，在一定高度给烟囱增加水平支点，会改变烟囱 的自振周期，也会提高锁定区的高度。4不同版本GB 50051对临界风速的起始点高度H1和终止点高度H2规 定的不同根据GB 500512001的规定“若临界风速起始点在结构底部，整 个高度为共振区，它的效应为最严重，系数值最大”；在GB 500512013 中，已经取消此条规定，在附录H中给出了 H1的计算方法，但未给出H2 的计算式。GB 500512013中给出H1和H2的计算方法，新的方法减小了橫 风向风振的锁定区高度，在设计时需要注意此条的修改。通过计算，最大橫风向风振条件下的共振效应SC并不是最不利效应,而需要与顺风向风载条件下
