钢筋混凝土烟囱涡激振动的分析

成宏

(山西建筑职业技术学院，太原 030006)

钢筋混凝土烟囱涡激振动的分析

成宏

(山西建筑职业技术学院，太原 030006)

提出了一个数值模型，旨在评估圆柱结构受到空气旋涡作用的响应。该模型可以计算结构在低于或大于临界风速下的振幅。最后，对高100 m的钢筋混凝土烟囱进行数值分析，其结果与实验数据高度吻合，验证了它的可行性。

数值模型;振动;钢筋混凝土烟囱;旋涡

纤细圆柱结构在空气旋涡激励下的振动多数属于弹性变形[1-2]。利用Strouhal原理，能够建立结构的临界风速与旋涡频率的对应关系，由于振荡器交互作用，在接近临界风速的一个狭窄范围内的速度作用下，易引起结构高度非线性共振响应。许多学者对此现象在实验和理论上进行研究[3-6]。本文在前人的基础上，提出一个新的数值分析模型，并应用到一个钢筋混凝土烟囱进行数值模拟分析计算。

1 数值模型

以频率和相位作为相对风速度的函数，随着风速方向的不同，由于由漩涡产生的结构表面压力的变化，结构的荷载响应也作相应的变化。其作用力的方向总是垂直于相对风速度的方向。单位长度圆柱体横截面的力学模型如图1所示。

用力Fshe(t)表示在t时刻的旋涡，Fshe(t)的方向垂直于t-△t时刻的相对风速Vwrel(t-△t).在t时刻的矢量Fshe(t)看作其t-△t时刻的函数，根据下面式(1) ～式(8)计算Fshe(t)的值。

图1 圆柱体横截面力学模型Fig.1 Cylinder cross section

公式中，ρ表示空气的密度，D表示圆柱体外直径，CL和CD分别表示空气推力和阻力系数，ΩL和ΩD分别表示在预定频率范围的下限和上限比值，τ(y=0)n和τ(y=0)n-1表示最后两个零侧风位移 y的位移值。

参数ω(t)和ωlock(t)有四组选项，如表1所示，其中ωn是结构固有圆频率。本文的数值计算采用表1的A选项。

表1 参数 ω(t)和ωlock(t)选项Tab.1 Possible options for parameters and and ω(t)and ωlock(t)

空气阻力Fd(t)在t时刻的值通过式(9)和式(10)计算:

2 对比实验数据和数值模拟

2.1 工程描述

本实例采用意大利里雅斯特市的一个焚烧炉的钢筋混凝土烟囱，曾有多位学者对其做过实验分析和风洞试验，烟囱高100 m，外部直径6.3 m.该城市的历史风速在1.7～17.7 m/s范围内，烟囱的临界风速为11.6 m/s(斯脱罗哈数St=0.20;雷诺数Re=4.9×106;ξ=2.5%).

2.2 数据选用和计算方法

数值计算通过有限元动态分析Newmark方法显式条件下实现，把整个钢筋混凝土烟囱离散成21个结点。在分析中采用的数据为:St=0.20，CL= 0.42，CD=1.20，ΩL=0.95，ΩU=1.30.

2.3 计算结果分析

数值模拟结果如图2～4所示，从图中可以看到数值分析与实验的结果高度吻合，通过调节模型的阻尼系数，计算得到的绝对位移非常接近实验测得的数据。图5显示在无阻尼条件下计算得到的位移值，而风速V=5.04fnD的风洞试验的最大位移为0.25D，二者相比较可以看出最大响应值基本一致。

图2 V=4.294fnD，ξ=0.15%时数值分析和实验结果Fig.2 Experimental(left)versus numerical(right) response for V=4.294fnD，ξ=0.15%

图3 V=5.046fnD，ξ=0.15%时数值分析和实验结果Fig.3 Experimental(left)versus numerical(right) response for V=5.046fnD，ξ=0.15%

图4 V=5.904fnD，ξ=0.15%时数值分析和实验结果Fig.4 Experimental(left)versus numerical(right) response for V=5.904fnD，ξ=0.15

图5 无阻尼时V=5.046fnD数值分析结果Fig.5 Numerical undamped response for V=5.046fnD

3 结论

该模型能够模拟在给定风速范围的条件下圆截面物体涡激振动的响应，且与实验测得的数据相当吻合，表明了它的可行性和实用性。

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TU375

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.04.016

1673-2057(2015)04-0316-03

2015-04-20

成宏(1962-)，男，讲师，主要研究方向为工程动力学。