宝鸡卷烟厂空中连廊横风向风振性能研究

宝鸡卷烟厂空中连廊横风向风振性能研究 第,,卷增刊 建筑结构 ,,,,年,月 宝鸡卷烟厂空中连廊横风向风振性能研究 李屹立，自玲 (机械工业第六研究院，郏州,,,,,,) 【捕,】针,,聘卷烟,异地改造新,??目(,空中莲摩部分,研兜,象(,其铜桁槊?塔桅在擅,自?,, ,能,,分,,验算(为《，,设计摄供,目论依据。 【,,月】空中连辟;钢桁幕;镕塔桅;横,自共振;檀月向,, ,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,?,,,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,, ,,, ,,,,,;,,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,;;, ,,;,,,, ,, ,,,, ,,,,,, (,, ,,,,,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,,,,女,,,,唧, ,,,,,,,？，,,,,竹，,,,,,,,,,(,,,,,,，,,,,,) ,,,…,;”？(岫…,…”??“, ,,,,,,;,:,嘶, ,,,,呱…,,,?, ,,,,,,, ,叫,， , ，，，, ,帅,, ,,,,,,,,…,;，”四,,,,,?, ,, ,,, ,, ,,,,,,,,,,，,; ,,,, ,,,?,,,”“啪??,， ,,, ,,,,,,,,, ,,, ,?,,,,,,,,，,,,?,，,”, ,,…, ,,, ,,,, ,,,, , ,;,,,,?山:,,, ;,,,?,,,,?,,,,,;,,,,…;„,,, ,,“;,岫, ,,,, ,…,;,,，,,, ,,,,州,,,,,, 弛雕, 工程鼍况 宝鸡卷烟厂是西北地区规模最大的卷烟生产厂隶，其易地改造新厂,位于宝鸡市高新技术开发区东 区下马营。属于整体搬迁改造项目。宝鸡地区基本风压, ,,,,,,。，基本香压, ,,,,,,,;抗震设防烈度为,度(设计基本地震加速度值为, ,,,，设计地震分组 为第一组(建筑场地类别为?类。 本空中连廊位于新厂区综合库与联合工房之间(总跨度,, ,,，两端分别出挑, ,,,，格构柱间净跨度,, ,,(格椅塔桅宽, ,,(格构塔桅总高,,,，封闭走廊宽度,,，搂面标高, ,,(兼做行人通道及皮带运输通廊。根据建筑造型，确定结构体系采用顶应力抗索空间钢桁架结构体系，(见圉，、,)。空中连廊楼面采 ,用压型钢板一砼组合楼盖(设计恒荷载, ,,,,,,，活荷载,, ,,,,, ,，屋面采用钢化央胶玻璃加保温板，设计恒荷载, ,,,,,,，活荷载, ,,,,, ,(连廊侧墙为中空钢化玻璃，自重线荷载, ,,,,, ,。 此空中连廊跨度大(荷载重，且带有预应力斜拉索(现有”“中还没有针对此类太踌斜拉结构的风掘设计参数，因此有必要对此结构的风振性能进行分析和探讨。本文分别选出水平大跨钢桁槊部分和竖向塔桅锕桁架部分作为分析对象，对其桁槊结构的横风向共振响应和横风向弯曲驰撮响应进行分析和验算，得出了各响应的临界风速(研究结果可为本【程及类似，程提供理论依据。, 理论分析 风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而 ,女,十:,,,，??，，,日，,,,,:？蝴,,,,。,。 ,,,下，结构可产生顺风向效应、横风向效应及共振效应， 式中，口为垂直于风速方向的截面宽度，,(为斯脱罗哈和空气动力失稳?,。顺风向效应是结构风工程中必须 数，,。为横风向的自振周期(第一周期)，,。(为横风向考虑的，一般情况下，它起着主要的作用;但是当横风 的自振频率(基频)，,,，。;,,,,。。向效应和空气动力失稳起作用时，后者将起决定性的 ,(,横风向弯曲驰振影响,。。因此本文对宝鸡卷烟厂大跨空间钢桁架结构 风力下结构必然产生响应，一般情况下，由于阻尼进行了横风向风振性能分析研究。 的存在，其响应受到控制，振动是 稳定的。但是在某些,(,横风向弯曲响应 情况下，激励部分可以产生负阻尼成分，如果风速到达 当细长结构承受风力作用时，除了顺风向产生振 某值时负阻尼大于正阻尼，此时振动产生后将愈演愈动外，横风向由于升力作用也产生振动。横风向振动 烈，一直到达极大的振幅而产生空气动力失稳破坏。按雷诺数如大小可划分为三个范围:即亚，临界范围， 当由弯曲或扭转单独为主产生的失稳，常称为驰振。通常取,,,,×,,,;超临界范围，通常取,×,,,?,,, 驰振是具有特殊截面形状的细长结构最典型的不,(,×,,,;跨临界范围，通常取如?,(,×,,,。不同范 稳定现象，这些截面形状如矩形、“,”字形或一些裹冰围的振动特征是不同的，亚临界范围和跨临界范围，受 输电线的有效截面形状。当风速达到驰振发生的临界旋涡周期性脱落影响，产生周期性的确定性振动;超临 风速时，这些结构在垂直于气流方向会产生大幅度的界范围，由于漩涡脱落不规则，产生不规则的随机振 振动(振幅为一至十倍以上横风向截面尺寸)，振动的动。设确定性振动的周期函数为正弦函数，即,,,,,。,， 频率远低于相同截面的旋涡脱落频率。因此，横风向其中?。为旋涡脱落圆频率，脚。,,,,,。，,。为旋涡脱落 驰振比横风向共振更容易产生，且危害更大(在实际工频率，可由斯脱罗哈数,(来求出: 程中要避免发生驰振现象。 ,。, 风力方向与结构主轴方向不一致，有一微小夹角 ,, ,百 时。可以产生横风向失稳式振动，也称横风向驰振。图式中，,(是一无量纲数，可由,,,,规范中查得??。,， ,示一等截面细长物体的截面，风速的迎角(攻角)为实际风速;,为垂直于风速方向截面的最大宽度，对 是,，设该结构作无限长处理，此时横风向算的运动方圆截面，即为直径。 程为: 当旋涡脱落频率与结构圆频率一致时，将发生共振，这是最危险的状态。试验表明，当与风速有关的旋涡脱落频率,。与结构的自振频率,(一致后，再增大风速”至某一范围，,。不再增大而仍等于,;。这种使旋涡脱落频率到达自振频率后在一段风速范围内仍等于自振频率的区域，称为锁住区域。如果在结构中出现锁住区域，在该区域风力作用下产生共振，振动将比静力的大到十倍到几十倍，能起到很大的影响甚至起决定的作用。此区域的起点风速，通常称为共振风速或临界风速，它沿着区域的增高而增大。因此，从工程实 图,任恿方向风力,结构上的力用角度出发，只保留共振风速下的锁住区域荷载(此时 ,,”，;壶，,,,互，(,) (,)?。,,,。()，是完全能够满足工程计算要求的。根据空 在,方向投影的合力为:气的动粘性值，可得公式 ,,,,,,,,,, (,) ,。(,),一,,(,),,,,，一,,(,);?,,?缈,陬。(口)(,) 由雷诺数,,的值，划分临界范围。如属亚临界范 其中顺横综合受力系数围，由于风速较小，只引起微小振动，通常不予验算。对于超临界范围，建议按随机振动计算，但与跨临界范 ‰(,),〔,,,(,)景,,,饥(,)志〕 , ;,,? (,)围共振相比，数值很小，通常略去。因而只验算跨临界 将式(,)在,,,处按泰勒级数展开，取二项范围共振响应时横风向的振动。 式得: 共振风速或临界风速,，。可根据旋涡脱落频率,。 弘。,(,,)?,,,(,)，,,。?(,)石, (,)等于自振频率,;由式(,)确定: 将式(,)代人式(,)和式(,): 毗?，;?,，,,,,。(口)以,) 十 (,) ,,袁,等 ,玩,百 ”;, ?， ,,, ,(,横风向共振验算 其中; ,,;一?,脚?。。(,) 二 (,) ,(,(，大跨桁架横风向共振验算 式(,)等号右侧第一项为结构阻尼系数，第二项 根据 表，的计算结果，可得大跨桁架横风向第一为空气动力阻尼系数。由结构动力学可知，当阻尼系 自振频率厅。,,(,,,,。(根据资料?,,，一般考虑前四数;?,,时，振动随时间而减弱，因而是稳定的;当阻尼 个振型就足够了，本工程为计算缘故取第,振型。)系数;?,,时，即负阻尼情况，振动随时间逐渐增大，出 由规范建议得，对箱型钢构件取斯脱罗哈数,(,现不稳定现象。因而,?,,是判断是否稳定的临界 ,(,,—,(,,，本文选用,(,,?,,。钢结构的振型阻尼比值。此时 ,,,(,,，基本风压,。,,(,,,,,,,，距地面,,,高度 ,, ,面丽 ,; (,,) 处的海拔高度二,,,,,，空气密度近似值,, ,(,,,,,,,,,”“,,(,,,,,,,,(,,,,,,,,,,(,,×,,—,,,,,。式中，,，。，为临界风速，;为结构阻尼系数，,为空气密度，,为垂直风速方向截面的最大宽度，,?。。(,)可查 由贝努利公式加。,?例,，则,,,高处基本风速表获得。, 实例计算 ,:厚:， ,,(,,::,,(,, , ,,一?,一?,(,,×,,。,一“ ,,, ““,,(,计算模型 取大跨桁架高度,,,,，计算雷诺数,,, 空中连廊其结构为空间桁架，应整体建模，计算模 ,, ,,,,,,,, ,,,×,,(,,×,,,(,×,,,(,,,,(,×型及具体尺寸见图,、,。其中各杆件的截面尺寸如下: ,,,，属于跨临界范围，应验算漩涡脱落共振响应。利 警,掣一,,(,,仉 塔桅隔构柱的弦杆:水平桁架以下为,,,(箱型) 用式(,)求得发生漩涡脱落共振响应的临界风速?,,。，,,,,×,,,×,,×,,，水平桁架以上渐变收缩，至顶为,,, ,,,×,,,×,,×,,;塔桅隔构柱的腹杆:,,(高频焊接,型钢),,,×,,,×,,×,,,。,, ,,,×,,,×,× 以上计算可以得出，临界风速远大于大跨桁架处,,，,, ,,,×,,,×, , ,; 实际风速，因而，大跨钢桁架不会发生漩涡脱落引起的 水平桁架的弦杆:,,, ,,,×,,,×,,×,,，,,, 横风向共振响应。,,,×,,,×,,×,,，,,, ,,,×,,,×,,×,,;斜腹杆: ,(,(,塔桅桁架横风向共振验算,, ,,,×,,,×,, , ,,，,, ,,,×,,,×,,×,,，竖腹 地面粗糙度类别,类，地面粗糙度系数,,杆:,, ,,,×,,,×,×,,; ,(,,?,，取,,,高度处塔桅验算，实际风速为口。,口。。 楼面水平桁架腹杆:,, ,,,×,,,×,,×,,，,, (石,,),,”:,,(,, ,,,,。,,,×,,,×,,×,,: 屋面水平桁架腹杆:,, ,,,×,,,×,,×,,。 宽度,,,(,,(取构件实际平均迎风面宽度)，计,(,钢桁架动力特性分析 算雷诺数,,,,, ,,,,,,,, ,,,×,,(,,×,(,,,(,× ,,, ,,,,,。 根据计算模型，运用韩国商用程序,，,,,对大跨 属于超临界范围，塔桅钢桁架不会发生漩涡脱落桁架动力特性进行分析，得到结构的自振频率、周期及振型(如表,所示)。 引起的横风向共振响应。 表, ,(,横风向驰振验算 结构前,,阶自振频率、周期和振型特点 ,(,(,大跨桁架横风向驰振验算 自振频率 自振周期 振型 振型特点 ,,,, ,?,, 大跨桁架处实际风速”,,,(,,,,,，横风向第一 , ,(,,,, ,(,,,, 整体,向振动(左右塔桅振动方向相同 白振频率,,,。;,,(,,,,。 , ,(,,,, ,(,,,, 整体,向振动，左右塔桅振动方向相反 已知大跨桁架单位长度质量,,, ,,,,,,,, , ,(,,,, ,(,,,, 整体,向振动 , ,(,,, , ,,,(,,,,?,,,,,，阻尼比,,,(,,，阻尼系数;,,,,, ,(,,,, 左右塔桅,向振动(振动方向相同 , ,(,,,, ,(,,,, 左右塔桅,向振动，振动方向相同 ,,”,,,？:,，查表”,可得矩形截面,?。。(,),,(,，空气密 桁架:向振动;左右塔桅,向振动， , ,(,,,, ,(,,,, 度,,,(,,×,,。,,,,,,(,,,,,?,,,,,。根据式 振动方向相反 桁架:向振动;左右塔桅,向振动， (,,)可得发生驰振的临界风速为: , ,(,,,, ,(,,,, 振动方向相同 ,; ,,×,(,,×,(,,,,×,(,,×,,,(,, 桁架，，向振动(左右塔桅扭转振动 、。脚?,。(,),(,,,×,×,(, , ,(,,,, ,(,,,, , ,(,,,, ,(,,,, 左右塔桅扭转振动 ,,,,(,,,,,,,,(,, ,,, ,, ,(,,,, ,(,,,, 桁架,向振动，左右塔桅扭转振动 (顺桥向为，方向，横桥向为,方向，竖直方向为。方向) 以上计算可以得出，驰振临界风速远大于实际风 ,,,速，因而，大跨钢桁架不会发生横风向弯曲驰振响应。 向弯曲驰振，较类似工程抗风振性能更好，为本工程设,(,(,塔桅桁架横风向驰振验算 计提供了可靠的理论依据。 风速口。,,,(,,,,,，横风向第一自振频率,。 ,)预应力斜拉索有可能产生参数振动、线性内部 ,,(,,,,。 共振、涡激共振及风雨激振等振动，设置阻尼器、改变 已知塔桅桁架单位长度质量,,, ,,,,,,,, 断面形状等是拉索减振的有效措 疚牟辉僮甘觥,?,,(,,,,?, 考 文 献 ,，::一 ,,,,,，阻尼比,,,(,,，阻尼系数,,,扣, 参 ,,,,,,，查表得,?。。(,),,(,，空气密度,,,(,,× 〔,〕,, ,,,,,,,,,,,建筑结构荷载规范〔,〕(北京:中国建筑丁二业出,,„,,,,,,,(,,,,,?,,,,,。根据式(,,)可得发生驰 版社(,,,，(振的临界风速为: 〔,〕,,,,,,,,,,,—,,,,公路桥梁抗风设计规范〔,〕(北京:人民交 ,; ,×,×,(,,×,(,,,,×,(,,×,,,(,, 通出版社，,,,,( .