风振计算论文（共6篇）
风振计算论文 篇1
750k V目前属国内仅次于1000k V的电压等级, 广泛应用于我国西北地区电网。750k V变电构架是750k V变电站土建设计的最关键点之一, 目前750k V变电构架的挂线点高度为40m左右, 塔身总高在56m左右, 其自振频率一般低于0.40Hz, 即自振周期小于2.5s, 而风的振动谱密度的扩展范围为周期若干秒到0.08s之间, 卓越周期为0.5s左右, 由此可见750k V变电构架风荷载的影响非常显著。文章以新疆地区某750k V变电站中的750k V构架为原型, 根据随机振动理论计算该变电构架的位移风振系数, 得出该变电构架的风振系数。为后续类似的750k V以及更高电压等级的1000k V钢管格构式构架设计提供指导和借鉴。
1 平均风荷载的位移计算
平均风荷载对750k V联合变电构架的作用相当于静力作用, 该750k V变电站所处地区设计基本风压为0.5k N/m2, 地貌为A类, 该750k V联合变电构架布置见图1。
加载到每一层的每一个节点上的荷载大小为:
式中:n为该层节点个数。
图2 (a) 、图2 (b) 分别为0°以及轴线90°风向角下56m高构架柱的平均位移, X轴为节点高度, Y轴为平均位移。
通过对比分析图2~3可知:构架柱各层节点同一方向的位移平均值分布为底部小顶部大;90°风向角下56m构架柱平均位移要大于0°风向角下;两个风向角56m构架柱平均位移最大值均出现在3-F轴构架柱, 其值为90.2mm。
2 位移风振响应分析
2.1 脉动风荷载谱的确定
《建筑结构荷载规范》中采用加拿大学者Davenport提出的顺风向脉动风速功率谱密度函数来推导脉动风荷载功率谱密度函数, 结合随机振动理论可得位移风振系数计算公式如下:
结构位移响应的谱密度函数为:
式中:H (iω) 为频响函数
经计算可得体系任一空间座标Z处的位移响应根方差为:
位移风振系数定义为总的位移与平均风压位移的比值, 即:
2.2 750kV联合变电构架位移风振系数
根据式 (3) ~ (4) 对750k V联合变电构架进行有限元频谱分析计算, 可得该750k V联合变电构架的风振系数, 图3~8分别为56m高出线柱以及典型横梁的位移风振系数:
由图3~6可看出:除轴线3外, 从靠近边柱 (轴线F处) 到中间柱 (轴线C处) , 所有构架柱在在0°风向角和90°风向角下时, 风振系数都是沿高逐渐增大的, 但每个构架柱上各点的风振系数的数值变化不大, 0°风向角下风振系数大小为1.50, 90°风向角下风振系数大小为1.55;3-F轴构架柱风振系数要大于中间柱的值 (约增大20%) , 0°风向角下风振系数大小为1.50, 90°风向角下风振系数大小为1.75;通过对2种风向角下风振系数的对比分析, 构架柱在90°风向角下风振系数略大于0°风向角的数值, 对于横梁处风振系数一般取风向与其垂直时的风振系数, 其值可取为1.50 (除3-E~F横梁外) 。为了便于设计, 除3-F轴构架柱以及3-E~F横梁外, 750k V联合变电构架风振系数可取为:1.55, 3-F轴构架柱以及3-E~F横梁风振系数取为:1.75。
3 结束语
文章通过大型有限元软件SAP2000, 以随机振动理论为依据, 在频域内对A类地貌下750k V联合变电构架的节点风致振动响应进行分析计算, 可以得出以下结论:
(1) 750k V联合变电构架0°以及90°风向角时, 构架横梁越靠进中间的节点, 其位移平均值也越大;构架柱各层节点同一方向的位移平均值分布为底部小顶部大, 位移由下到上逐渐变大。
(2) 构架柱在90°风向角下风振系数略大于0°风向角的数值, 而建议对于横梁处风振系数一般取风向与其垂直时的风振系数。
(3) 对于750k V变电构架的构架柱, 一般来说, 越靠近中间, 风振系数越大;从靠近边塔侧到中间塔处, 风振系数逐渐变大, 实际设计时为了计算方便可统一取中间构架柱或横梁的大值作为设计时的风振系数。
(4) A类地貌下750k V联合变电构架整体风振系数可取1.55。
(5) 对于类似轴线3-F处的边塔, 若无母线塔以及母线梁相连, 在实际工程设计计算时应考虑局部增大风振系数的取值 (约增大20%) , 其值可取为1.75, 与该构架柱相连的横梁也应考虑局部增大风振系数的取值。
参考文献
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[6]朱海维, 马勇杰, 吴伟康.1000kV构架风振系数的计算研究[J].电力建设, 2013, 2.
高层建筑风振研究 篇2
一、风对建筑结构的作用
(一) 风荷载的分类及特点。
风对建筑物的作用是一个随机过程, 因此, 按照风对建筑物作用的方向不同可以分为以下三个方面: (1) 在建筑物的迎风面上产生的压力 (气流流动产生的阻力) , 包括静压力和动压力; (2) 在横风向产生横风向干扰力 (气体流动产生的涡旋扰力与湍流脉动压力) ; (3) 空气流经建筑物后在建筑物的背后产生的涡流干扰力 (包括背风向的吸力) 。
对于高层建筑来说, 动态风荷载不容忽视, 要比较准确地确定风荷载往往要依赖于模型风洞试验。风荷载是由于工程结构阻塞大气边界层气流的运动而引起, 具有以下特点: (1) 风荷载与空间位置及时间 (不确定性) 有关, 受地形、地貌、周围建筑环境等因素影响; (2) 风荷载与结构的几何外形相关, 结构不同部分对风敏感程度不同; (3) 对具有显著非线性特征的结构, 可能产生流固耦合效应; (4) 结构尺寸可能在多个方向比较接近, 风荷载需要考虑空间相关性; (5) 脉动风的强度、频率、风向是随机的; (6) 风荷载具有静力和动力的双重特点, 其动力部分即脉动风的作用会引起高层建筑的振动 (即风振) 。
(二) 风对建筑物的作用。
作用在建筑结构上的风荷载并不是均匀的, 也不是定常的, 它们随着风的速度、风的方向、风本身的结构以及所作用的建筑物的体型、面积、高度、作用的位置和时间不停地变化, 此外建筑物在风荷载作用下的运动反过来又会影响风场的分布状况, 这种相互作用使风荷载对结构的作用变得更加复杂。总的来说, 由于风本身的非定常性, 加上建筑物本身的体型各不相同, 再考虑到气动弹性的影响, 风对建筑物的作用是一个非常复杂的过程, 一般来说有以下的特点: (1) 建筑物的作用力包含静力部分和动力部分, 且分布不均匀, 随作用的位置不同而变化; (2) 建筑物的作用与建筑物的几何外形和动力特性有直接关系, 几何外形主要是指建筑物的体型和截面的几何尺寸。风振响应有时还会包括明显的流体和结构振动的耦联效应; (3) 风对建筑物的作用受建筑物周围的环境影响较大, 周围环境的不同会对风场的分布产生很大的影响。
二、结构风振反应
根据风载作用的不同机理, 风振反应分为顺风向响应、横风向响应和扭转响应。
(一) 顺风向响应。
顺风向风载是由来流紊流产生的。Liepmann1952年考虑抖振问题时, 先研究了结构对大气湍流产生力的响应共振放大问题。将Liepmann的方法用于土木工程需建立表征近地紊流风的模型。Davenpont提出了这种模型, 在此基础上建立了计算高层建筑顺风向响应的阵风因子法。该方法采用功率谱密度描述风速、气动风载和结构响应。我国荷载规范采用“风振系数”[2]代替“阵风因子”, 其原理与国外相同, 在定义风剖面、基本风速、风谱、相关函数、脉动系数等方面与国外不完全相同。总之, 顺风响应计算方法已趋成熟。
(二) 横风向响应。
风向激励由顺风向风湍流、横风向风湍流和尾流激励产生, 前两者的贡献很小, 尾流激励是横风力的主要原因。尾流激励机制, 即分离流中旋涡的形成与脱落机制, 与建筑物横截面的形状强烈相关。风洞试验仍是描述各种截面的建筑物涡激横风力的主要和可靠手段。
(三) 扭转响应。
扭转响应是因结构的质量中心和刚度中心与气动荷载瞬时作用点不重合引起的。Solari从理论上建立动力扭矩的解析模型, 梁枢果等提出了适用于各种长宽比矩形建筑物的扭矩功率谱密度、均方根扭矩系数和Strouhal数的经验公式, 并给出相干函数参数的建议值。
三、 高层建筑的风振控制
在一般情况下, 可以按被控系统是否有外部能源输入分成被动控制、主动控制以及混合控制三类。
(一) 被动控制。
结构被动控制是指控制装置不需要外部能源输入的控制方式。其特点是采用隔震、耗能减震和吸能减振等技术消耗振动能量, 以达到减小结构振动反应的目的。一般在结构的某些部位附加一个子系统或对结构自身的某些构件作构造上的处理以改变结构的动力性能。被动控制的优点是构造简单、造价低、易于维护, 并且不需要外部能源支持等。
1.耗能减振系统。
耗能减振系统是把结构物的某些非承重构件设计成消能元件, 或在结构物的某些部位设置阻尼器, 在风荷载作用时, 阻尼器产生较大的阻尼, 大量耗散能量, 使主体结构的动力反应减小。耗能减振系统可分为两类: (1) 耗能构件减振体系, 利用结构的非承重构件作为耗能装置, 常用的耗能构件包括耗能支撑、耗能剪力墙等; (2) 阻尼器减振系统, 包括金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器等。金属阻尼器是用软钢或其它软金属材料做成的各种形式的阻尼耗能器。它对结构进行振动控制的机理是将结构振动的部分能量通过金属屈服滞回耗能耗散掉, 从而达到减小结构反应的目的。国内外对金属屈服阻尼器进行了大量的研究, 并且在工程上有了大量的应用[3,4]。摩擦阻尼器的基本组成是金属或其它固体材料元件, 这些元件之间能够相互滑动并且产生摩擦力。它对结构进行振动控制的机理是将结构振动的部分能量通过阻尼器中元件之间的摩擦耗能耗散掉, 从而达到减小结构反应的目的。粘弹性阻尼器由粘弹性材料和约束钢板组成。它对结构进行振动控制的机理是将结构振动的部分能量通过阻尼器中粘弹性材料的剪切变形能耗散掉, 从而达到减小结构反应的目的。
2.吸振减振系统。
吸振减振技术是在主结构中附加子结构, 使结构振动发生转移, 即使结构的振动能量在主结构与子结构之间重新分配, 从而达到减小结构风振反应的目的。目前, 主要的吸振减振装置有调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器等。 (1) 调谐质量阻尼器:调谐质量阻尼器是一个小的振动系统, 由质量块、弹簧和阻尼器组成。它对结构进行振动控制的机理是原结构体系由于加入了子结构, 其动力特性发生了变化。原结构承受动力作用而剧烈振动时, 由于质量块的惯性而向原结构施加反方向作用力, 其阻尼也发挥耗能作用, 从而使原结构的振动反应明显衰减。 (2) 调谐液体阻尼器:调谐液体阻尼器是一种固定在结构上的具有一定形状的盛水容器。它对结构进行振动控制的机理是在结构振动的过程中, 容器中水的惯性力和波浪对容器壁产生的动压力构成为对结构的控制力, 同时结构振动的部分能量也将由于水的粘性而耗散掉, 从而达到减小结构反应的目的。根据容器形状的不同调谐液体阻尼器可以分为两类, 第一类是矩形或圆形的水箱, 第二类是一种U 型形状的管状水箱, 目前, 已经在土木工程的减振控制中得到实际应用, 如日本的长崎机场指挥塔和横滨海洋塔都已安装了此装置, 我国的南京电视塔也采用了调谐液体阻尼器进行风振控制[5]。
(二) 主动控制。
主动控制是一种需要外部能源的结构控制技术。通过对外部激励和结构反应实时监测, 再按照各种控制方法计算出控制力并通过伺服加力装置施加到结构上, 实现自动调节, 使结构在外部过程中始终定位在初始状态附近, 从而达到保护结构免受损伤的目的。由于主动控制的实时控制力可以随激励输入改变, 其控制效果不依赖于外荷载的特性, 因此明显优于被动控制。目前, 结构主动控制的理论研究以各种控制算法为主线, 采用计算分析和模拟方法研究结构主动控制的可行性、控制系统的时滞效应和时滞补偿、控制参数对控制效果的影响等问题。
(三) 混合控制系统。
混合控制是将主动控制与被动控制同时施加在同一结构上的振动控制方式。一方面, 被动控制由于引入了主动控制, 其控制效果增强, 系统可靠度得以提高;另一方面, 主动控制由于被动控制的参与, 所需的主动控制力大大减小, 系统的稳定性和可靠性都有所增强。
四、结语
随着科技的发展以及建筑技术的提高, 建筑物将向着更高的方向发展, 风环境研究以及风振控制将成为一门亟待研究和探索的学科, 为建筑物尤其是高层建筑的安全提供强有力的保障。
摘要：本文对风荷载的基本概念和基本问题进行了概括性的叙述, 并针对风激励作用下高层建筑振动控制的方法进行了研究。
关键词：高层建筑,风振反应,风振控制
参考文献
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[2].建筑结构荷载规范GB50009-2001[S].北京:中国建筑工业出版社, 2006
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建筑结构风振反应的模糊控制 篇3
随着经济的飞速发展和科学技术的不断进步,高层建筑的建造技术也有了突飞猛进的发展,高层建筑发展的特点使得结构对风的敏感性大大增强,水平风荷载更容易诱发结构的大幅度振动。风效应问题已逐步成为控制高层建筑安全性、经济性和舒适性的最主要因素之一。对高层建筑的风振响应进行控制,避免风灾破坏具有十分重要的意义。
然而建筑结构本身是一个庞大复杂的结构体,其本身存在着很多不确定性因素。其次,建筑的荷载具有很强的随机性。这些特点给结构控制的推广应用提出了很多问题,也给其实验研究带来了很多困难。因此,探讨好的仿真分析方法,并利用设计出的模糊控制策略对结构进行有效的控制具有非常积极的作用。本文在上述背景下,从建筑结构控制理论出发,通过建立高层建筑的动力学模型,采用Sugeno型模糊系统、BP网及混合学习算法,并用Matlab语言编制程序并对模糊控制系统进行SIMULINK数值仿真分析。
1 建筑结构控制系统的力学模型
高层建筑上的风效应包括静力风效应和动力风效应。静力风效应是指由于结构上的静力风荷载所引起的结构的静内力和静位移;动力风效应是指由结构上的脉动风荷载和漩涡干扰力所引起的结构的振动反应,它包括动内力、动位移和振动加速度。通常,对于非圆截面,顺风向风振响应占主要地位,因此本文仅讨论顺风向风振响应。若假设结构的质心、刚心和空气动力作用中心都重合(或偏心可忽略),那么在顺风向脉动风作用下,结构将不引起横向和扭转反应,假设此时无控制作用,体系的状态矢量矩阵微分方程(简称状态方程)为:
式中:
:结构的质量、阻尼、刚度矩阵;
:控制力作用的位置列向量;
:n阶单位矩阵。
2 模糊控制
2.1 基本假设
(1)本文施加模拟的风荷载为有限宽带白噪声。
(2)本文假定为十层,结构简化模型的简化计算数据如表1。
2.2 仿真分析
2.2.1 状态方程
Matlab平台下的SIMULINK组件专门用于动态系统的建模、仿真和仿真综合分析,并提供了集成化的图形环境。其二次开发能力、可视化功能、编程建模能力和数值积分能力等方面的功能强大。本文在SIMULINK环境下,将结构作为控制系统,建立其数学模型及状态方程,施加模拟的风荷载,为模拟风荷载进行动态仿真,得到受控结构的动态反应。该方法弥补了现有结构风振控制仿真分析程序的不足,为后续工作奠定基础。
于是(1)式可用状态空间法描述,转换为系统的状态方程
式中:
2.2.2 控制输入量、输出量与相应的规则
在利用模糊控制器进行风激励高层建筑的振动控制前,应该先训练所构造的模糊控制器,对模糊控制器进行离线训练,训练采用混和学习算法。训练时,采用前一步的输出量去训练网络来预测第下一步的控制力,通过离线训练后确定糊控制器及其控制输入量、输出量与相应的规则,分别如图1、图2、图3和表2所示。根据假设,模糊神经控制规则如表2。
2.2.3 仿真模型图
在SIMULINK中建立仿真模型图如图4,图5,输出图像如图6,图7。
3 结语
本文借助动态仿真工具SIMULINK软件,由上图组可知,本文在高层建筑风振控制中应用模糊控制技术控制,输出结果表明此种方法明显的减小了结构的风振反应,减小了结构的速度和加速度,减振效果良好,增加了结构的使用安全性和舒适度,而且与其它控制方法比较,此种方法更加省力节能,模型编制直观、简单,概念明确,复杂的风振控制动力系统能够简洁的构建完成,避免了传统编程方法的繁琐,具有较强的通用性。
参考文献
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基于塔器的风振与防振性应用研究 篇4
1 塔式容器的风振研究进展
风振是风工程最重要的组成部分之一, 风洞试验和数值模拟的主要研究手段。塔风引起的圆柱结构振动的绕流现象和气动分析, 国内外学者通过实验测量和数值模拟分析这些问题来进行大量的研究。对于圆柱绕流结构的关注, 可以追溯到第十五世纪, 当人们用绘画记录这一现象时, 由于学者对绕圆柱结构的各个方面都进行了研究和分析。在18世纪60年代, 在法国数学家和科学家Alembert流动现象进行观察, 提出了著名的达朗贝尔悖论:在非粘性浸渍不能在阻力的流体被压缩的圆柱结构为零。捷克学者Strouhal做弦振动探测实验发现只有钢丝直径和血流速度的振动频率是相关的。因此, 他对现象的深入研究, 由此他深入研究了该现象并第一个推导出了无量纲常数斯特罗哈数的数值。后来, 英国学者瑞利在St实验发现, 弦的振动的主要方向是垂直于风速方向的基础上, 。
2 实验方法与过程
2.1 不加扰流器
当实验过程不添加时, 测试程序是:检查低速风洞、调速装置和测量装置等。塔模型被放置在一个风洞中的一个预定的位置, 一个固定的基地, 和顶部的模型保持在一个密封的状态。加速度横风传感器对吸附在塔最顶端的位置, 传感器和风洞动态数据采集分析仪的另一端连接。计算机接通, 连接到动态数据采集分析仪器, 打开了数据分析软件。启动风洞, 速度控制装置, 预热2分钟。调整变频器, 控制风速到预设数。同时启动风机开放式风速智能仪表, 实时监控风速风速智能表, 当风速开始收集和记录振动数据。测量完成后, 控制风速为0, 关断转换器, 智能风速计, 测试软件, 动态数据采集分析仪器和计算机。拆下加速度计和塔模型, 从风洞中拆下塔模型。
2.2 声波干扰电流
声波扰动流的实验步骤如下:检查低速风洞、调速装置和测量装置的运行。塔模型被放置在一个风洞中的预定位置, 调整模型的塔壁开孔方向垂直于流动方向, 固定底座和顶部模型保持密封状态。加速度横风传感器对吸附在塔最顶端的位置, 传感器和风洞动态数据采集分析仪的另一端连接。计算机接通, 连接到动态数据采集分析仪器, 打开了数据分析软件。作为声源记录笔集为单循环播放状态播放的声信号测试, 并固定录音笔在正确的位置在塔内的模型, 密封试验不需要的声音孔和模型顶部。启动风洞, 速度控制装置, 预热2分钟。调整变频器, 控制风速到预设数。同时, 风机开始打开智能风速表, 并用智能风速计实时监控实时风速, 当风速稳定时, 采集并记录振动特性数据。测量完成后, 变频器, 控制风速为0。重复步骤改变声波扩压器的参数, 完成整个扰流测量过程。
3 结语
本文针对塔式风振振动在机械振动理论和圆柱涡激振动理论中的应用, 探讨了周期激励的扰流抗振机理, 设计了应用于正弦扰动流和脉冲射流干扰流装置结构。针对扩压器的设计, 通过风洞试验和数值模拟, 研究了扩压器参数对隔振效果的影响。通过理论分析、实验研究和流固耦合模拟计算, 得出以下主要结论:
首先, 扩压器的扰动抑制机理是扩压器的周期性激励影响塔周围的流动边界层, 从而导致边界层的早期分离。塔体周围的边界层流变化影响尾流涡态, 涡脱落频率降低, 并由一个单一的频率成各种频率的混合动力。涡脱落频率降低, 塔风引起的振动的振幅降低。
其次, 根据周期激励的扰动抑制机理, 设计了一种正弦型声波扩压器和一个脉冲气流射流扩压器。声波扩压器主要由声波发生器、功率放大器和扬声器组成。喷射器主要由ECU控制单元、注射装置和注射泵。安排正弦波扰动流装置或脉冲空气喷射扰流器后, 塔风引起的振动风洞试验和数值模拟结果表明, 塔周围的流动边界层分离提前, 塔壁压力差, 涡脱落的频率, 减少与风振振幅最大和平均平方根下降, 表明两个扰流器可以有效地防止风引起的振动塔。风洞试验和数值模拟分析相结合的方法, 对塔风振设计中的正弦扰动流和脉冲射流扰流装置的扰流器, 以及扰流器的抗振效果进行了研究。本研究结果为塔抗振利用扰流装置的设计与工程应用提供参考。本文可进行后续研究多频和多角度扰动流, 以获得最佳的干扰流装置的设计参数;扰流器工业化实验, 为工业应用提供了依据。
摘要：本文借鉴相关的塔器的扰流器设计理论研究成果, 同时结合工作实践中防振性的实验数据分析, 针对塔式风振振动机械振动理论, 本实验利用动态数据采集分析系统测定分析扰流器的防振效果, 以确定扰流器的最优参数。通过数值模拟风洞试验, 分析说明扩压器参数对隔振效果的影响。
关键词：塔器,扰流器,防振性
参考文献
[1]何国富, 姜颜宁, 杨青, 金微.石油化工框架式高塔结构动力响应分析[J].工业建筑.2015 (05) .
风振计算论文 篇5
关键词：高层建筑顶部,幕墙结构,风振控制
随着人们对高层建筑外观的需求, 现在一般都会在高层建筑的顶部设计玻璃幕墙。但是在楼顶玻璃幕墙的设立过程中又要充分的考虑到露面钢筋支架的承载力度, 而高出露面的玻璃幕墙仅仅是一个简单的支架体系, 这两者在承载力方面有着很大的差别, 高层建筑顶楼的风力比较的强, 设计在顶楼的幕墙会受到不同程度的风边梢效应, 如果风边梢效应达到了一定的程度会使顶部的玻璃幕墙发生不同程度的变形, 最终使得玻璃幕墙出现破裂或脱落的情况, 影响人们的生命安全。为了防止上述危险的出现, 我们一般都会在高层建筑顶部幕墙结构上安装风振控制措施来降低其发生频率。
1 高层建筑顶部幕墙结构的风效应
我国现行的高层建筑顶部幕墙结构的风荷载标准计算公式为:风振系数是全部计算风压与静风压之比, 它反映了风的脉动作用对结构的动力扰动效应, 与主体结构的自身动力特性有关。在高层建筑中, 幕墙结构自身的强度和结构连接, 幕墙构建于主体结构的动力特性并没有直接的关系, 因为风效应而使得幕墙结构和主体结构之间发生了位移, 这会使得玻璃幕墙结构存在很大的安全隐患。
2 高层建筑顶部幕墙结构风振控制的设计
2.1 高层建筑顶部幕墙结构的风振控制方案
高层建筑中主体结构的风效应和顶部幕墙结构的风振效应两者的影响不是很大, 因此我们在高层建筑顶部幕墙结构的风振控制中采取直接耗能的方案来达到目的。
因为内置式粘弹性阻尼器和流体粘阻尼器、摩擦阻尼器两者相比, 在经济和适用性两个方面都比较的有优势, 所以我们最终选择了通过内置式粘弹性阻尼器来进行风振控制。采用这种方法的特点和优势是:
在高层建筑的顶部幕墙结构内安装粘弹性阻尼器, 并且采用并联式的方式来进行设计, 最终达到在保持原有结构刚度的情况下增加结构的耗能能力。
在高层建筑顶部幕墙结构内设置粘弹性阻尼器进行控制设置, 这样能够一定程度上消耗一定的风能量, 从而保证原有高层建筑顶部幕墙结构的外型, 防止粘弹性阻尼器受到外来环境因素的影响老化的相信发生或者减少老化的速度。
2.2 高层建筑顶部幕墙结构的风振控制设计的基本原理
由于高层建筑顶部幕墙结构的风振控制技术是对高层建筑顶部幕墙结构中的风振进行控制的一个重要方法, 因此这种控制方法只能够降低脉动的风振效应, 根本不可能降低结构的整体风效应。在实际的操作过程中高层建筑受控脉动风振响应的计算应该严格的按照下面的步骤来加以进行, 这样才能够包装研究的真实性。
在高层建筑顶部幕墙结构中设置粘弹性阻尼器粘。利用弹性阻尼器的支撑作用将玻璃幕墙的结构层面向三个动力自然度的脉动分力, 从而计算出主体结构的风振反应。
将高层建筑顶部玻璃幕墙结构层层面的三个动力自由度方向的风振加速度响应作为顶部玻璃墙机构的基础加速度输入, 同时也要考虑到高层建筑顶部幕墙结构中本身的脉动风力和阻尼器支撑中实际达到的控制能力, 从而计算出在高层建筑顶部幕墙设置中采用内置式的弹性阻尼器来控制风振的效果。
然后在回到第一步进行迭代计算, 如果迭代循环的精度达不到要求时, 可以继续进行迭代计算。
3 计算与分析
为了验证高层建筑顶部幕墙内置式弹性阻尼器支撑对风振的控制效果, 笔者选择了一栋40层、高173m钢筋混凝土的高层建筑作为研究的对象, 其中屋顶到处楼面30m, 为3层的顶部幕墙结构。基本的风压为0.6k N/m2, C类的地貌, 在这栋高层建筑的顶部幕墙上安装内置式粘弹性阻尼器能够消耗更多的风振能量, 使得顶部幕墙结构不容易发生变形。
为了明显的看到高层建筑顶部幕墙结构上采用内置式的粘弹性阻尼器支撑来减少风振控制的作用, 笔者将内置式的粘弹性阻尼器支撑在减少风振控制的作用和和平常普通的结构风振控制达到的效果做比较, 从而可以很明显的看出, 采用平常普通的结构风振控制时, 高层建筑顶部幕墙结构出现的位移现象最大可以达到3.34cm, 这种位移存在着很大的不安全因素, 对顶部玻璃幕墙是很不利的, 我们通过设置内置式的粘弹性阻尼器, 可以看出位移的尺度在减少, 并且随着设置的内置式的粘弹性阻尼器的个数的增加, 这种位移的尺度会随之减小。通过这种对比我们可以看出, 在高层建筑顶部幕墙结构内设置粘弹性阻尼器后, 顶部幕墙结构的最大位移明显的减小, 极大的减少了玻璃幕墙的脱落或裂开的可能性, 大大的提高了顶部幕墙的安全性。
4 结语
笔者通过对高层建筑的风振效应进行分析, 为实际的高层建筑中顶部幕墙结构的设立提供了有力的科学的依据。在实际中的高层建筑幕墙结构设立的过程中为了减少顶部幕墙机构的风振效应, 应该在幕墙的框架内按照上内置式的粘弹性阻尼器来达到减风振的效果。笔者以一栋40层、高173m的高层建筑进行了分析计算, 从分析结果可以看出在高层建筑的顶部采用内置式的粘弹性阻尼器支撑能够减少建筑物顶的风振响应, 从而大大的提高主体机构的安全性, 这是目前使用比较普遍并且简单实用的一种减振方法。
参考文献
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风振计算论文 篇6
1 高压输电塔线体系风致振动的研究现状
近10多年来,许多研究者进行了输电塔线体系在风荷载下动力特性的分析与试验,取得了一定的成果[1,2],但这些研究仍有一些不足:1)这些研究要么忽略导线的影响,对输电塔单独进行计算,要么仅对两输电塔中段的导线气动力、气弹性特性进行研究,而对于大跨越高压输电线塔体系在风荷载下的流固耦合动力特性及其相应的破坏机理的系统研究则较少。2)对于大跨越体系,导线的质量相对于塔架的质量已经非常可观,在风荷载下,导线对于塔架的作用将居于首位,而对于小跨度或中等跨度和高度的输电塔线体系,导线对输电塔的影响较小甚至可以忽略,因此,需要考虑导线和塔体间的耦合振动效应。3)不同类型的风荷载,如微风、强平稳气流以及旋风(tornado)、微风暴(microburst or downburst)等瞬时高强度风荷载,对体系结构的振动与破坏机理也显著不同。在冬季覆冰情况下,风荷载往往更具有破坏性。
2 输电塔线体系风致振动的研究对象
1)输电塔架。输电塔架一般是由型钢和组合型钢组成的桁架结构,主要由塔体和金具组成。作用在塔架上的风荷载主要是顺风向力和横风向力,竖向风力则可以忽略。Hiroshi[3]给出了一种500 kV架空输电线路铁塔模型的风洞试验结果。苏继龙[4]对输电塔外伸臂的动力学模型和振型进行了研究,分析了塔外伸臂覆冰质量不等时发生的振型局部化现象。郭绍宗[5]则介绍了国内外高压、超高压、特高压输电线路常用的铁塔形式、铁塔所用的钢种以及铁塔内力的计算方法。2)输电导线。输电导线是细长的柔性体,可以看做是索梁结构。一般输电导线的振动形态有横向振动、跨间弧垂绕两端固定点的摆动和导线绕自身轴线的扭转振动3种,主要振动形态为横向振动和扭转振动。Wardlaw等[6]利用准稳态理论对不同架构的导线进行了分析和试验研究,并研究了导线之间的干扰问题,确定了各种风的攻角下的空气动力学系数。Braun等[7]在评估空气动力与气弹性信息时以数值仿真方法代替风洞测试,但在利用数值仿真方法研究导线的动力特性时未通过试验对模型进行验证。3)输电线塔系统。输电塔线系统是一种高耸、大跨度的柔性结构,在风力作用下系统的结构响应十分显著。在风荷载下,不仅导线对塔架的结构响应有影响,而且塔架的支撑方式也会改变导线的风致振动特性。梁枢果等[8]为了评估导线对铁塔结构响应的影响,利用风洞试验方式和气动弹性模型对罗江500 kV架空输电线路系统进行了研究。Momomuray等[9]则记录分析了某一山区安装的输电塔的风致振动特性,研究了风速低于25 m/s时该单一输电塔的全尺度数据。
3 塔线体系风致振动的机理
1)微风振动。微风振动又称为涡激振动,输电塔线体系的微风振动最为频繁。频繁的振动常常会使导线疲劳断股,严重时将会导致输电线路中断。微风振动下导线断股常发生在线夹出口附近悬挂Stoke防振锤,可以抑制导线振动的振幅及出口转角。2)抖振。自然风中的脉动部分会引起塔线体系抖振,由于塔架和导线都要产生振动,两者的振动耦合后,往往会大大加剧导线及其悬挂金具、绝缘子甚至塔架的自身破坏。3)驰振。塔线体系在较高风速以及导线有覆盖冰雪下常会发生驰振。在冬季,当水平方向的风作用在因覆冰而变为非圆截面的输电导线时,将产生空气动力,在一定条件下,会诱发导线产生一种低频、大振幅的自激振动,即驰振。导线的驰振常会引起铁塔的连锁振动,其结果可能会使导线、连接金具和绝缘子发生破坏,还可能使铁塔本身发生疲劳损伤。4)瞬时高强度风荷载。许多输电塔线体系的破坏都是由局部高强度风荷载引起的,其受力机理往往不同于宽尺度、大范围的风荷载。
4 塔线体系的分析方法
4.1 频域法
频域分析是输电塔线体系常用的分析方法。Battista等采用频域法分析了输电塔线体系的动力特性和稳定性,即首先建立了一个结构的三维有限元模型,计算了风速的模态能量谱,然后分别采用SRSS方法和CQC方法计算了结构的响应位移。
4.2 人工模拟时程分析法
该方法可以根据风荷载的统计特性进行计算机模拟,以人工生成的具有特定频谱密度和空间相关性的风速时程作为激励,或以特定测量的风荷载时程作为激励样本,建立时域下的动力微分方程并进行数值求解,得到结构的响应数据。Diana等采用时域法分析了输电塔线抖振的响应,并建立了动力学方程如下:
其中,M,C,K分别为质量、阻尼和刚度矩阵;x(t),
该分析方法往往忽略了气体与塔线结构本身的流固耦合作用,即没有考虑结构振动引起的局部流场变化。
4.3 气弹力学模型法
气弹力学模型法通过一些必要的假设对气弹力学模型进行简化,主要通过附加气动力的引进来考虑结构与气流的耦合作用,从而将流体对结构的作用以附加质量、气动阻尼等系数表达出来,这些系数可以通过试验测定。在附加气动力项中,与速度相关的力用气动阻尼项表示,与位移或加速度相关的力用气动刚度项或附加质量项表示,则考虑流固耦合作用时结构在脉动风荷载下的动力方程为:
其中,Mf,Cf,Kf分别为附加质量、气动阻尼和气动刚度矩阵;p(t)为脉动风的激励向量。
4.4 数值风洞
数值风洞方法是一种强耦合方法。这种方法的基本思路是:建立流体和结构的运动方程,用数值方法联立求解运动方程。同时,在每一时间步内依次求解流体场、结构场和网格场,并将前一个物理场的计算结果作为外荷载施加于后一个物理场,以实现两个场的耦合。数值风洞方法在输电塔线体系中的应用还不完善。
4.5 风洞试验
风洞模拟试验是输电塔线风荷载和风振响应研究中最为有效的方法。付国宏等以杭州—瓶窑500 kV输电线路为原型,建立了单塔1∶30的几何模型,并对架空线路进行了风振试验。王世村等针对高耸单杆输电塔结构风振响应较大的特点,进行了气动弹性模型的风洞试验,研究了不同风速下结构的气动响应。楼文娟等以183 m高的200 kV椒江大跨越输电塔为原型,设计制作了全塔气动弹性模型,并对塔线体系的风荷载及风振响应进行了风洞试验研究。这些研究表明,风洞模拟试验可以很好地揭示大跨越输电塔线体系的动力特性和风振响应特点,是风振分析中最为有效的方法。
5 结论与展望
1)大跨距超高压输电塔线体系是常见的悬索结构之一,其力学性质非常复杂,几何非线性非常显著。目前,分析时大都取1跨或2跨,这与系统是连绵不断的实际情况有一定差别。因此,有必要建立合理的包含几何非线性的多跨计算模型。2)由于大跨越高压输电塔线体系风致振动中导线的影响不能忽略,不仅风和结构之间存在着流固耦合,而且导线和塔体之间也存在着耦合振动,因此,有必要考虑塔体、导线以及流体之间的耦合动力特性。3)数值风洞方法作为一种强耦合方法,适用于塔线体系风致振动研究,相对于风洞试验,该方法具有经济和节省时间的优点,但是该方法的计算结果与实测结果之间仍有较大差异。因此,需要对现有数值风洞方法进行改进,以使该方法更具实用性。4)针对大跨越超高压输电塔线,应综合运用各种分析方法,开发相应的结构风致振动分析软件和硬件,利用实时采集的数据对输电塔线体系的安全性和可靠性进行评估。
摘要：结合近20年来国内外研究成果,介绍了高压输电线塔体系风致振动的研究内容和现状,从风振研究对象,风振机理和风振分析方法三方面探讨了线塔体系风振研究发展现状和面临的问题,并对未来的研究趋势作出了展望。
关键词：输电线塔体系,风振,受力机理,风洞试验
参考文献
[1]邓洪洲,朱松晔,王肇民.大跨越输电塔线体系动力特性及风振响应[J].建筑结构,2004,34(7):25-28.
[2]贺德馨.风工程与工业空气动力学[M].北京:国防工业出版社,2006.
[3]Hiroshi K.Wind tunnel test on 500kV transmission tower withsolid web brackets[J].Journal of Wind Engineering,1994(58):54-60.
[4]苏继龙.高压输电铁塔外伸臂振动力学模型及其振型局部化研究[J].振动与冲击,1998,17(3):62-65.
[5]郭绍宗.国内外输电线铁塔的发展及展望[J].特种结构,1998,15(3):43-46.
[6]Wardlaw R L,Cooper K R,Watts J A.Wind tunnel and analyt-ical investigations into the aeroelastic behavior of bundled con-ductors[J].IEEETransaction on Power Apparatus and Sys-tems,1975,94(2):642-654.
[7]Braunal,Awrucham.Aerodynamic and aeroelastic analysis of bun-dled cables by numerical simulation[J].Journal of Sound andVibration,2005(284):51-73.
[8]梁枢果,朱继华,顾明.输电塔线体系风振响应的风洞试验研究[A].第六届全国风工程及工业空气动力学学术会议论文集[C].2002:165-172.