CN104794356A - 一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法 - Google Patents

一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法 Download PDF

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Abstract

一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法,包括如下步骤:(1)测定升船机塔柱结构的具体尺寸,其中升船机塔柱结构的高度为H;(2)建立升船机塔柱结构的数值风洞模型,数值风洞模型包括塔柱结构模型和风场模型;(3)选用湍流模型,施加边界条件,考虑风场模型和塔柱结构模型的相互作用,进行数值风洞计算;(4)推求塔柱结构模型各表面的风载体型系数 ;(5)推导升船机塔柱结构的顺风向风振系数公式。本发明能直接得到升船机塔柱结构在风荷载作用下的响应,同时为了方便设计人员能按照规范方法对升船机塔柱结构进行受力计算,提供了升船机塔柱结构各表面风载体型系数参考取值和升船机塔柱结构顺风向风振系数的公式推导。

Description

一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法
技术领域
本发明涉及一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法,属于高耸结构风振分析技术领域。
背景技术
随着我国高水头水利枢纽的建设和内河水运的发展,超大升程垂直升船机越来越受到人们的关注,升船机的设计和研究工作日愈显得重要,而目前的塔柱结构设计和施工技术还远不能够满足目前水电建设的需要。就超大升程垂直升船机塔柱结构而言,其属于高耸薄壁结构,对于高耸薄壁结构,风荷载常常重要荷载之一。
由于目前尚无专门针对水工建筑物高耸结构的设计规范,塔柱的抗风设计主要参考工民建《建筑结构荷载规范》和《高耸结构设计规范》,即依据经验确定风压体型系数、风压高度变化系数、风振系数等,进而确定作用于塔柱结构的确定性荷载。而实际上由于垂直升船机塔柱是一种特殊的高耸结构,在设计风速和设计风压的确定过程中,不但需要考虑横向风和顺河向风,而且存在中间船厢通道、吊物孔通道、顶部机房之间气流的相互干扰,四周受到大坝坝体及上下闸室、甚至坝址区局部山谷地形对气流的影响。更重要的是复杂流场与高柔结构之间可能产生涡流并激发涡激振动,尤其是极端风级情况下的风动力响应,是一个典型的流固耦合风致振动问题,学科交叉性强的特点使得此问题的研究不够完善。因此,开展高耸塔柱结构的抗风研究具有重大意义。
报告“三峡升船机风工程研究中间报告——三峡升船机刚性模型测压试验”(西南交通大学,1994)中对三峡升船机塔柱结构进行了风洞实验,其结果显示由风洞实验所得的风载体型系数比荷载规范中高层建筑物风载体型系数小得多,相差约一倍左右,为三峡升船机塔柱结构抗风分析提供了一定的依据,但风洞实验模型的建立非常困难,不仅花费比较高,制作时间也比较长,而且还要面临一些相似准则不能得到满足等问题;钮新强院士在其博士论文(三峡升船机结构关键技术问题研究,武汉:华中科技大学,2005)中分析了该风洞实验所得结果偏小的原因,一方面是由于荷载规范规定的数值一般均偏于安全,另一方面该风洞试验的模型比例1:140和1:300过小,所测得的结果有一定的局限性,对于三峡升船机塔柱结构表面的风载体型系数,其借用规范(GB50009-2001,建筑荷载规范,北京:中国建筑工业出版社,2001)中“封闭式对立两个带雨蓬的双坡屋面”的结构形式来确定,该做法没有考虑升船机塔柱结构这一“工况复杂”的高耸结构对风荷载特性的影响;文献“景洪水电站水力式升船机塔楼结构性态分析”(黄光明,凌云,朱金国,河海大学(自然科学版),2008,07:506~510)中根据规范(GB50009-2001,建筑荷载规范,北京:中国建筑工业出版社,2001)计算了作用于景洪水力浮动式升船机塔柱结构上的风荷载,其塔柱结构的风载体型系数同样根据规范(GB50009-2001,建筑荷载规范,北京:中国建筑工业出版社,2001)中“封闭式对立两个带雨蓬的双坡屋面”结构形式确定,该做法同样没有考虑升船机塔柱结构这一“工况复杂”的高耸结构对风荷载特性的影响。
综上所述,对于升船机高耸结构,目前尚无相应的规程规范可作为设计依据,有必要对其进行完善。
发明内容
为了解决上述存在的问题,本发明公开了一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法,具体的技术方案如下:
一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法,包括如下步骤:
(1)测定升船机塔柱结构的具体尺寸,其中升船机塔柱结构的高度为H;
(2)根据步骤(1)测定升船机塔柱结构的具体尺寸,建立升船机塔柱结构的数值风洞模型,所述数值风洞模型包括塔柱结构模型和风场模型,所述塔柱结构模型的尺寸与升船机塔柱结构的具体尺寸完全相同,所述风场模型的尺寸选用:塔柱结构模型迎风面为4H,塔柱结构模型背风面为8H,塔柱结构模型风向的水平两侧均为4H,塔柱结构模型上方为4H;
(3)选用湍流模型,施加边界条件,考虑风场模型和塔柱结构模型的相互作用,进行数值风洞计算,其中,
湍流模型的选取:
采用标准k-ε模型来求解不可压缩粘性流体N-S方程,其湍动能k和湍动能耗散率ε的控制方程如下:
∂ k ∂ t + u i ∂ k ∂ x i = ∂ ∂ x j [ ( υ + υ t σ k ) ∂ k ∂ x j ] + υ t ( ∂ u i ∂ x j + ∂ u j ∂ x i ) ∂ u i ∂ x j - ϵ
∂ ϵ ∂ t + u i ∂ ϵ ∂ x i = ∂ ∂ x j [ ( υ + υ t σ ϵ ) ∂ ϵ ∂ x j ] + C 1 ϵ ϵ k υ t ( ∂ u i ∂ x j + ∂ u j ∂ x i ) ∂ u i ∂ x j - C 2 ϵ ϵ 2 k
其中,ui(i=1,2,3)和uj(j=1,2,3)分别代表顺风向方向(i、j=1)、横风向方向(i、j=2)和竖直向方向(i、j=3)上的流体速度分量,υ为运动粘度,t表示时间,σk、σε、C、C和Cμ均为经验常数,σk、σε、C、C和Cμ依次取值0.09、1.44、1.92、1.1和1.3;
施加的边界条件为:
风场模型的入口给定速度来流边界条件,采用指数率的平均风剖面来模拟等效的大气边界层,具体为:
u ‾ ( z ) u ‾ 10 = ( z z 10 ) α
其中,是z=z10处的参考风速,α是对应于不同地面粗糙度类别的指数;
风场模型的出口不施加边界条件,保证自由出流;
风场模型的顶壁与侧壁面的边界采用滑移边界,在风场模型的顶壁与侧壁面上法相方向速度为0;风场模型的底面采用无滑移壁面,在风场模型的底面上所有速度为0;
塔柱结构模型底部采用固定约束,所有方向位移为0;
风场模型和塔柱结构模型的相互作用:
风场模型和塔柱结构模型交界处采用流固耦合边界条件,具体为:
δ · ‾ = u ‾ t s ‾ = t f ‾ on Γ fs
式中,Γfs—流固耦合面;—分别为流固耦合面上固体的速度和流体的速度;—分别为流固耦合面上固体的表面应力和流体的表面应力;
数值风洞计算:
在Adina有限元分析软件中设定上述公式中各相关参数值,其中σk=0.09,σε=1.44,C=1.92,C=1.1,Cμ=1.3,α=0.16,空气密度ρ=1.225kg/m3,空气粘性系数取ν=1.7394*10-5Pa.s,固体弹性模量E=2.5*104MPa,固体密度ρ=2500kg/m3,泊松比μ=0.167,在Adina有限元分析软件中按照上述内容设定相应的边界条件,Adina有限元分析软件运行给出数值风洞计算结果。
(4)根据步骤(3)的计算结果,推求塔柱结构模型各表面的风载体型系数μs,风载体型系数μs用塔柱结构模型表面上第i点的平均风压系数Cpi与该点所属表面积Ai的乘积取加权平均得到,其值为
μ s = Σ i C pi A i A
式中,A为所计算表面的总面积;
(5)根据步骤(3)和步骤(4)的结果,推导升船机塔柱结构的顺风向风振系数公式,升船机塔柱结构顺风向风振系数β(z)的推导公式为:
| H 1 ( in ) | 2 = 1 ( 2 π n 1 ) 4 { [ 1 - ( n n 1 ) 2 ] + ( 2 ζ 1 n n 1 ) 2 }
S v ( n ) = v ‾ 10 2 n 4 k ( 1200 n v ‾ 10 ) 2 [ 1 + ( 1200 n v ‾ 10 ) 2 ] 4 3
Rxz(M1,M2)=e-c
c = - n [ 16 2 ( x - x ′ ) 2 + 10 2 ( z - z ′ ) 2 ] 1 2 [ v ‾ ( z ) + v ‾ ( z ′ ) ]
式中,n1为结构第一阶自振频率,μs为风载体型系数,g为峰因子,a为地面粗糙指数,为塔柱结构第一阶振型,B(z)为升船机塔柱结构在高度z处的宽度,为10m高度处的风速,分别为点M1和点M2的风压系数,Rxz(M1,M2)为M1,M2两点的脉动风压互相关函数,分别为点M1和点M2处的平均风速,|H1(in)|2为频响函数,Sv(n)为脉动风速功率谱,n为脉动风频率,k为地面粗糙系数,c为衰减系数,e为自然常数。
所述步骤(4)中的平均风压系数Cpi的计算公式为:
C pi = P i - P ∞ 0.5 ρ v ‾ 10 2
式中,Cpi为第i点的平均风压系数,Pi为某点风压,P为静压,是10m高程处的参考风速,ρ为空气密度,取1.225kg/m3
所述风场模型为在塔柱结构模型附近区域建立离散网格,离散网格的尺寸精细到足够捕捉剪切层和涡流物理现象的特征变化。
所述离散网格的拉伸率小于1.2,其中,塔柱结构附近的离散网格要达到能精确地被求解塔柱结构模型表面边界层内的压力。
所述风场模型的离散网格选用六面体形状的网格。
本发明能直接得到升船机塔柱结构在风荷载作用下的响应,同时为了方便设计人员能按照规范方法对升船机塔柱结构进行受力计算,给出了计算升船机塔柱结构各表面风载体型系数和升船机塔柱结构顺风向风振系数的计算方法。
本发明考虑了升船机塔柱结构这一“工况复杂”的高耸结构对风荷载特性的影响,得到了较为精确的结果,提供了风载体型系数的参考取值和顺风向风振系数的公式推导。
附图说明
图1是6m*6m*6m立方体数值风洞模型中的风场模型,
图2是6m*6m*6m立方体数值风洞模型中的立方体结构模型,
图3是6m*6m*6m立方体数值风洞模型三维有限元透视图,
图4是6m*6m*6m立方体数值风洞模型沿流向中心线上平均风压系数的模拟结果、实测结果和风洞实验结果对比图,
图5是景洪升船机塔柱结构数值风洞模型中的升船机风场模型,
图6是景洪升船机塔柱结构数值风洞模型中的景洪升船机塔柱结构模型,
图7是景洪升船机塔柱结构数值风洞模型三维有限元透视图,
图8是景洪升船机塔柱结构数值风洞模型风场中心断面速度矢量图,
图9是景洪升船机塔柱结构数值风洞模型风场H/2高度处水平断面速度矢量图,
图10是景洪升船机塔柱结构顺风向位移云图,
图11是景洪升船机塔柱结构第一主应力云图,
图12是景洪升船机塔柱结构第三主应力云图,
图13是景洪升船机塔柱结构迎风面平均风压系数云图,
图14是景洪升船机塔柱结构迎风面中心线处平均风压系数对比图,
图15是景洪升船机塔柱结构各表面名称,
图16是景洪升船机塔柱结构顺风向风振系数随高度变化关系图,
附图标记列表:1—6m*6m*6m立方体,2—立方体风场模型,3—景洪升船机塔柱,4—景洪升船机风场模型,5—景洪升船机塔柱结构迎风面,6—景洪升船机塔柱结构背风面,7—景洪升船机塔柱结构内立面A,8—景洪升船机塔柱结构内立面B,9—景洪升船机塔柱结构左侧面,10—景洪升船机塔柱结构右侧面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)测定升船机塔柱结构的具体尺寸,其中升船机塔柱结构的高度为H;
(2)根据步骤(1)测定升船机塔柱结构的具体尺寸,建立升船机塔柱结构的数值风洞模型,所述数值风洞模型包括塔柱结构模型和风场模型,所述塔柱结构模型的尺寸与升船机塔柱结构的具体尺寸完全相同,所述风场模型的尺寸选用:距塔柱结构模型迎风面的距离为4H,距塔柱结构模型背风面的距离为8H,距塔柱结构模型风向的水平两侧距离均为4H,距塔柱结构模型上方距离为4H;
风场模型大小的选取直接关系到计算精度和计算耗时,风场模型过小,会影响建筑物表面风压的精度,风场模型过大,会增加网格的数量,计算耗时会相应增加。因此,有必要选取合适大小的风场模型,在保证计算精度的前提下,缩短计算时间。上述风场模型的尺寸选用既能使流态得到充分的发展,同时又不增加网格的数量。
(3)选用湍流模型,施加边界条件,考虑风场模型和塔柱结构模型的相互作用,进行数值风洞计算,其中,
湍流模型的选取:
采用标准k-ε模型来求解不可压缩粘性流体N-S方程,其湍动能k和湍动能耗散率ε的控制方程如下:
∂ k ∂ t + u i ∂ k ∂ x i = ∂ ∂ x j [ ( υ + υ t σ k ) ∂ k ∂ x j ] + υ t ( ∂ u i ∂ x j + ∂ u j ∂ x i ) ∂ u i ∂ x j - ϵ
∂ ϵ ∂ t + u i ∂ ϵ ∂ x i = ∂ ∂ x j [ ( υ + υ t σ ϵ ) ∂ ϵ ∂ x j ] + C 1 ϵ ϵ k υ t ( ∂ u i ∂ x j + ∂ u j ∂ x i ) ∂ u i ∂ x j - C 2 ϵ ϵ 2 k
其中,ui(i=1,2,3)和uj(j=1,2,3)分别代表顺风向方向(i、j=1)、横风向方向(i、j=2)和竖直向方向(i、j=3)上的流体速度分量,υ为运动粘度,t表示时间,σk、σε、C、C和Cμ均为经验常数,σk、σε、C、C和Cμ依次取值0.09、1.44、1.92、1.1和1.3;
施加的边界条件为:
风场模型的入口给定速度来流边界条件,采用指数率的平均风剖面来模拟等效的大气边界层,具体为:
u ‾ ( z ) u ‾ 10 = ( z z 10 ) α
其中,是z=z10处的参考风速,α是对应于不同地面粗糙度类别的指数;
风场模型的出口不施加边界条件,保证自由出流;
风场模型的顶壁与侧壁面的边界采用滑移边界,在风场模型的顶壁与侧壁面上法相方向速度为0;风场模型的底面采用无滑移壁面,在风场模型的底面上所有速度为0;
塔柱结构模型底部采用固定约束,所有方向位移为0;
风场模型和塔柱结构模型的相互作用:
风场模型和塔柱结构模型交界处采用流固耦合边界条件,具体为:
δ · ‾ = u ‾ t s ‾ = t f ‾ on Γ fs
式中,Γfs—流固耦合面;—分别为流固耦合面上固体的速度和流体的速度;—分别为流固耦合面上固体的表面应力和流体的表面应力;
数值风洞计算:
在Adina有限元分析软件中设定上述中各相关参数值,Adina有限元分析软件是一款商用软件,可以购买得到,其中σk=0.09,σε=1.44,C=1.92,C=1.1,Cμ=1.3,α=0.16,空气密度ρ=1.225kg/m3,空气粘性系数取ν=1.7394*10-5Pa.s,固体弹性模量E=2.5*104MPa,固体密度ρ=2500kg/m3,泊松比μ=0.167,在Adina有限元分析软件中按照上述内容设定相应的边界条件,Adina有限元分析软件运行给出数值风洞计算结果。
(4)根据步骤(3)的计算结果,推求塔柱结构模型各表面的风载体型系数μs,风载体型系数μs用塔柱结构模型表面上第i点的平均风压系数Cpi与该点所属表面积Ai的乘积取加权平均得到,其值为
μ s = Σ i C pi A i A
式中,A为所计算表面的总面积;
(5)根据步骤(3)和步骤(4)的结果,推导升船机塔柱结构的顺风向风振系数公式,升船机塔柱结构顺风向风振系数β(z)的推导公式为:
| H 1 ( in ) | 2 = 1 ( 2 π n 1 ) 4 { [ 1 - ( n n 1 ) 2 ] + ( 2 ζ 1 n n 1 ) 2 }
S v ( n ) = v ‾ 10 2 n 4 k ( 1200 n v ‾ 10 ) 2 [ 1 + ( 1200 n v ‾ 10 ) 2 ] 4 3
Rxz(M1,M2)=e-c
c = - n [ 16 2 ( x - x ′ ) 2 + 10 2 ( z - z ′ ) 2 ] 1 2 [ v ‾ ( z ) + v ‾ ( z ′ ) ]
式中,n1为结构第一阶自振频率,μs为风载体型系数,g为峰因子,a为地面粗糙指数,为塔柱结构第一阶振型,B(z)为升船机塔柱结构在高度z处的宽度,为10m高度处的风速,分别为点M1和点M2的风压系数,Rxz(M1,M2)为M1,M2两点的脉动风压互相关函数,分别为点M1和点M2处的平均风速,|H1(in)|2为频响函数,Sv(n)为脉动风速功率谱,n为脉动风频率,k为地面粗糙系数,c为衰减系数,e为自然常数。
所述步骤(4)中的平均风压系数Cpi的计算公式为:
C pi = P i - P ∞ 0.5 ρ v ‾ 10 2
式中,Cpi为第i点的平均风压系数,Pi为某点风压,P为静压,是10m高程处的参考风速,ρ为空气密度,取1.225kg/m3
所述风场模型为在塔柱结构模型附近区域建立离散网格,离散网格的尺寸精细到足够捕捉剪切层和涡流物理现象的特征变化。
为了保证精确的求解塔柱结构模型表面边界层内的压力,所述离散网格的拉伸率小于1.2,其中,塔柱结构附近的离散网格要达到能精确地被求解塔柱结构模型表面边界层内的压力。
所述风场模型的离散网格选用六面体形状的网格,六面体形状的网格优于四面体形状的网格,并且显示出良好的收敛性。
举例说明本发明的正确性:
如说明书附图1、2和3所示,建立6m*6m*6m立方体1结构数值风洞模型,立方体风场模型2的尺寸选用:距立方体结构模型迎风面的距离为24m,距立方体结构模型背风面的距离为48m,距立方体结构模型两侧距离均为24m,距立方体结构模型上方距离为24m。
立方体风场模型2的入口施加梯度风速,其10m高程处平均风速为25m/s,地面粗糙度指数取0.16,风向角为90°垂直入射,立方体风场模型的出口处为自由出流,立方体风场模型的顶壁与侧壁面的边界采用滑移边界,立方体风场模型的底面采用无滑移壁面,在立方体风场模型和塔柱结构模型交界处采用流固耦合边界,立方体底部采用固定约束;湍流模型采用标准k-ε模型,空气密度ρ为1.225kg/m3,空气粘性系数取1.7394*10-5Pa.s,立方体弹性模量E=2.5*104MPa,密度ρ=2500kg/m3,泊松比μ=0.167。在此基础上用Adina有限元分析软件进行数值风洞计算,得到数值风洞模型沿流向中心线上平均风压系数的模拟结果,根据文献“Wind pressures on a 6m cube”(Richard P J,Hoxey R P,Journal of Wind Engineering and IndustrialAerodynamics,2001,89,1553-1564)得到立方体中心线上平均风压系数的实测结果和风洞实验结果,进而可得如说明书附图4所示的数值风洞模型沿流向中心线上平均风压系数的模拟结果、实测结果和风洞实验结果对比图,由说明书附图4可见,立方体沿流向中心线上平均风压系数的计算结果和现场实测以及风洞试验的结果基本一致,说明了本方法的正确性和可行性。
本发明的具体应用实施例:
景洪升船机塔柱3结构高92m,上下游方向长76.6m,横河向宽为40m,以升船机中心线为轴线,左右对称布置了2个宽11.6m的塔柱,左右塔柱中间空腔为升船机船厢的运行空间,宽16.8m,塔柱结构底板厚度为6.5m。
如说明书附图5、6和7所示,建立景洪升船机塔柱结构数值风洞模型,景洪升船机塔柱风场模型4的尺寸选用:距塔柱结构模型迎风面的距离为4H,距塔柱结构模型背风面的距离为8H,距塔柱结构模型两侧距离均为4H,距塔柱结构模型上方距离为4H,其中,H为景洪升船机塔柱结构高度,取值为92m。
离散网格为六面体网格,其中流体单元总数为631593,固体单元网格总数为10767;景洪升船机塔柱风场模型4入口施加梯度风速,其10m高程处平均风速为25m/s,地面粗糙度指数取0.16,风向角为90°垂直入射,景洪升船机塔柱风场模型4出口处所有变量梯度为0,自由出流,景洪升船机塔柱风场模型4顶壁与侧壁面的边界采用滑移边界,景洪升船机塔柱风场模型4底面采用无滑移固壁,景洪升船机塔柱风场模型4和塔柱结构模型交界处采用流固耦合边界,塔柱结构模型底部采用固定约束;湍流模型采用标准k-ε模型,空气密度ρ为1.225kg/m3,空气粘性系数取1.7394*10-5Pa.s,塔柱结构弹性模量E=2.5*104MPa,密度ρ=2500kg/m3,泊松比μ=0.167。在此基础上用Adina有限元分析软件进行数值风洞计算,为便于分析,本发明仅考虑风对结构的影响。
从说明书附图8和9可以看出,环绕、分离、再附等钝体绕流现象在图中均能得到反映,在结构的尖角和背面出现气流分离及强烈的漩涡。从说明书附图10、11和12可以看出,景洪水力式升船机塔柱结构顺风向最大位移为1.95mm,其位置出现在迎风面顶部附近;最大第一主应力约为0.120MPa,其位置出现在迎风面底部附近;最大第三主应力约为0.144MPa,其位移出现在迎风内面底部附近。
图13给出了升船机塔柱结构迎风面平均风压系数分布云图,可以看出,在高度方向,结构迎风面的风压系数沿高度变化呈现中间大、两侧小的趋势,这是由于风速随高度呈指数律增长,在结构下部风速相对较小,故风压系数较小。而在建筑物的上部,虽然风速较大,但由于流体向顶部绕流,正风压系数有所减小。迎风面两侧的风压系数比中间小也是因为流体向两侧绕流的原因。
图14给出了升船机塔柱结构迎风面中心线上计算结果与规范值的对比情况,其中规范取值采用曲线依据规范(GB50009-2001,建筑荷载规范,北京:中国建筑工业出版社,2001)中“封闭式对立两个带雨篷的双坡屋面”的规定,确定其μs取1.52。对比发现,除靠顶部以上的区域外,规范的值都是偏小的,这将导致设计风压值小于实际风压值,使得建设得到的升船机塔柱的最大风压承载能力降低,导致使用寿命缩短,存在安全隐患。
表1给出了计算得到的景洪升船机塔柱结构各表面风载体型系数,其中,景洪升船机塔柱结构各表面风载体型系数名称如图15所示,其中包括:景洪升船机塔柱结构迎风面5,景洪升船机塔柱结构背风面6,景洪升船机塔柱结构内立面A 7,景洪升船机塔柱结构内立面B 8,景洪升船机塔柱结构左侧面9,景洪升船机塔柱结构右侧面10。
根据表中数据,可以得出景洪升船机塔柱结构总的风载体型系数μs=1.27+0.71-0.71+0.54=1.81,大于规范得到的1.52。
表1景洪升船机塔柱结构各表面风载体型系数
迎风面 内立面A 内立面B 背风面 左侧边界 右侧边界
1.27 -0.71 -0.71 -0.54 -0.81 -0.81
根据景洪升船机塔柱结构风载体型系数μs=1.81,推导出景洪升船机塔柱结构顺风向风振系数β(z)为:
β ( z ) = 1 + 3.228 tan 2 [ π 4 ( z H ) 0.7 ] z 0.32
说明书附图16给出了本次模拟结果与按照规范(GB50009-2001,建筑荷载规范,北京:中国建筑工业出版社,2001)方法计算所得结果的对比,可以看出,除在结构高程32m以下区域,规范值都是偏小的,导致在实际施工中,设计的理论数值比实际受到的风压数值要偏小,使得建设得到的升船机塔柱的实际承载风压的最大值降低,导致使用寿命缩短和预测的最大承受风压不准确,存在安全隐患。
综上所述,本发明提供了一种升船机塔柱结构抗风分析方法,该方法考虑了升船机塔柱结构这一“工况复杂”的高耸结构对风荷载特性的影响,得到了较为精确的结果,同时为了方便设计人员按照规范方法计算塔柱结构受力特性,提供了风载体型系数的参考取值和顺风向风振系数的公式推导。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段,还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (5)

1.一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)测定升船机塔柱结构的具体尺寸,其中升船机塔柱结构的高度为H;
(2)根据步骤(1)测定升船机塔柱结构的具体尺寸,建立升船机塔柱结构的数值风洞模型,所述数值风洞模型包括塔柱结构模型和风场模型,所述塔柱结构模型的尺寸与升船机塔柱结构的具体尺寸完全相同,所述风场模型的尺寸选用:塔柱结构模型迎风面为4H,塔柱结构模型背风面为8H,塔柱结构模型两侧均为4H,塔柱结构模型上方为4H;
(3)选用湍流模型,施加边界条件,考虑风场模型和塔柱结构模型的相互作用,用Adina有限元分析软件进行数值风洞计算,其中,
湍流模型的选取:
采用标准k-ε模型来求解不可压缩粘性流体N-S方程,其湍动能k和湍动能耗散率ε的控制方程如下:
∂ k ∂ t + u i ∂ k ∂ x i = ∂ ∂ x j [ ( υ + υ t σ k ) ∂ k ∂ x j ] + υ t ( ∂ u i ∂ x j + ∂ u j ∂ x i ) ∂ u i ∂ x j - ϵ
∂ ϵ ∂ t + u i ∂ ϵ ∂ x i = ∂ ∂ x j [ ( υ + υ t σ ϵ ) ∂ ϵ ∂ x j ] + C 1 ϵ ϵ k υ t ( ∂ u i ∂ x j + ∂ u j ∂ x i ) ∂ u i ∂ x j - C 2 ϵ ϵ 2 k
其中,ui(i=1,2,3)和uj(j=1,2,3)分别代表顺风向方向(i、j=1)、横风向方向(i、j=2)和竖直向方向(i、j=3)上的流体速度分量,υ为运动粘度,t表示时间,σk、σε、C、C和Cμ均为经验常数,σk、σε、C、C和Cμ依次取值0.09、1.44、1.92、1.1和1.3;
施加的边界条件为:
风场模型的入口给定速度来流边界条件,采用指数率的平均风剖面来模拟等效的大气边界层,具体为:
u ‾ ( z ) u ‾ 10 = ( z z 10 ) α
其中,是z=z10处的参考风速,α是对应于不同地面粗糙度类别的指数;
风场模型的出口不施加边界条件,保证自由出流;
风场模型的顶壁与侧壁面的边界采用滑移边界,在风场模型的顶壁与侧壁面上法相方向速度为0;风场模型的底面采用无滑移壁面,在风场模型的底面上所有速度为0;
塔柱结构模型底部采用固定约束,所有方向位移为0;
风场模型和塔柱结构模型的相互作用:
风场模型和塔柱结构模型交界处采用流固耦合边界条件,具体为:
δ . ‾ = u ‾ t s ‾ = t f ‾ Γ fs
式中,Γfs—流固耦合面;—分别为流固耦合面上固体的速度和流体的速度;—分别为流固耦合面上固体的表面应力和流体的表面应力;数值风洞计算:
在Adina有限元分析软件中设定上述公式中各相关参数值,其中σk=0.09,σε=1.44,C=1.92,C=1.1,Cμ=1.3,α=0.16,空气密度ρ=1.225kg/m3,空气粘性系数取ν=1.7394*10-5Pa.s,固体弹性模量E=2.5*104MPa,固体密度ρ=2500kg/m3,泊松比μ=0.167,在Adina有限元分析软件中按照上述内容设定相应的边界条件,Adina有限元分析软件运行给出数值风洞计算结果。
(4)根据步骤(3)的计算结果,推求塔柱结构模型各表面的风载体型系数μs,风载体型系数μs用塔柱结构模型表面上第i点的平均风压系数Cpi与该点所属表面积Ai的乘积取加权平均得到,其值为
μ s = Σ i C pi A i A
式中,A为所计算表面的总面积;
(5)根据步骤(3)和步骤(4)的结果,推导升船机塔柱结构的顺风向风振系数公式,升船机塔柱结构顺风向风振系数β(z)的推导公式为:
∫ 0 ∞ R xz ( M 1 , M 2 ) S v ( n ) | H 1 ( in ) | 2 dxdx ′ dzdz ′ dn ] 1 2
| H 1 ( in ) | 2 = 1 ( 2 π n 1 ) 4 { [ 1 - ( n n 1 ) 2 ] + ( 2 ζ 1 n n 1 ) 2 }
S v ( n ) = v ‾ 10 2 n 4 k ( 1200 n v ‾ 10 ) 2 [ 1 + ( 1200 n v ‾ 10 ) 2 ] 4 3
Rxz(M1,M2)=e-c
c = - n [ 16 2 ( x - x ′ ) 2 + 10 2 ( z - z ′ ) 2 ] 1 2 [ v ‾ ( z ) + v ‾ ( z ′ ) ]
式中,n1为结构第一阶自振频率,μs为风载体型系数,g为峰因子,a为地面粗糙指数,为塔柱结构第一阶振型,B(z)为升船机塔柱结构在高度z处的宽度,为10m高度处的风速,分别为点M1和点M2的风压系数,Rxz(M1,M2)为M1,M2两点的脉动风压互相关函数,分别为点M1和点M2处的平均风速,|H1(in)|2为频响函数,Sv(n)为脉动风速功率谱,n为脉动风频率,k为地面粗糙系数,c为衰减系数,e为自然常数。
2.根据权利要求1所述的一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法,其特征是所述步骤(4)中的平均风压系数Cpi的计算公式为:
C pi = P i - P ∞ 0.5 ρ v ‾ 10 2
式中,Cpi为第i点的平均风压系数,Pi为某点风压,P为静压,是10m高程处的参考风速,ρ为空气密度,取1.225kg/m3
3.根据权利要求1所述的一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法,其特征是所述风场模型为在塔柱结构模型附近区域建立离散网格,离散网格的尺寸精细到足够捕捉剪切层和涡流物理现象的特征变化。
4.根据权利要求3所述的一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法,其特征是所述离散网格的拉伸率小于1.2,其中,塔柱结构附近的离散网格要达到能精确地被求解塔柱结构模型表面边界层内的压力。
5.根据权利要求4所述的一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法,其特征是所述风场模型的离散网格选用六面体形状的网格。
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