第六章-高耸结构抗风设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,6.1,高耸结构（烟囱、塔架）受力情况分析,一、烟囱,检查共振风速是否属于跨临界范围。烟囱属于空心的结构，50,m,以上的烟囱平均外直径一般在4-12,m,之间，周期在0.5-2.5,s,之间，斯脱罗哈数通常可取0.2。由前所述，共振风速在24-40,ms,之间，这样的风速在实际工程中是能够出现的。又根据雷诺数的计算式,，,雷诺数当在,3.5X10,6,以上。所以可以发生横风向旋涡脱落共振。分析时应予以考虑。,除了顺风向响应必须考虑外，应检查横风向共振和失稳式效应的可能性。,横风向风力仅为顺风向风力的,0.20-0.25,倍，但横风向共振动力系数为 ，此值对钢结构为50，对钢筋混凝土为10。由此可见，对钢烟囱，横风向共振等效风力作用可相当于顺风向风力的,10,-12.5倍，而顺风向风力在顺风向放大作用只有一倍或多一些，所以钢烟囱的受力完全由横风向所控制。对于钢筋混凝土烟囱，横风向共振等效风力只相当于顺风向风力的2-2.51,S，,而顺风向风力在顺风向的放大作用也差不多这个倍数，所以钢筋混凝土烟囱顺风向和横风向的作用都要控制，是双向受力都重要的一种情况。,圆截面的烟囱最为经常被采用，而圆截面结构是不可能横向失稳的，因而可以不考虑。,塔架为桁架式结构，在电视塔类塔架中，塔架中部还有电梯井结构。要发生横风向共振，必须满足两个指标，即共振风速必须在设计风速范围之内，而雷诺数又在跨临界范围。桁架的(斯脱罗哈数),S,在,0.15,上下，但迎风面尺度由于杆件组合而难以确定。作为粗糙分析，如果把迎风面,x,向的尺度集中在一起计算，则其尺度常在2,m,以上，周期常在,0.3s,以上所以共振风速在40,ms,以上。这样的风速一般很少出现，所以除了重要的塔架需仔细加以分析外，一般塔架可忽略横风向共振的作用。,二、塔架,单根的圆管不发生失稳式效应。在非圆截面杆件组成塔架时，临界风速一股也在50,ms,以上，因而发生的可能性比横风向共振更少，除了重要的塔架以外，也可不进行验算。,6.2,高耸结构（烟囱、塔架）的自振周期和频率,一、高耸结构的变形特征,除了烟囱属于沿高度变化而无刚强的横隔结构(图6-1,a),以外，实际上塔架结构也属于这种类型。塔架中由横杆组成的横隔结构很弱，不像高层结构楼层平面那样刚强。在计算时，如将各层立柱也可包括斜杆折算成等效弯曲刚度,EI,及等效剪切刚度,GA，(,见图6-1,b)，,则它的性能与烟囱等同。在振动时，它们的变形如图6-1,c,所示,，,因而高耸结构的变形型式属于弯曲型。,图6-1 高耸结构的变形,二、按无限自由度体系的自振周期计算,对于变截面结构，振型方程应按任意截面方程直接解出，从而求出自振频率或周期。,假定质量与 成正比，刚度,EI(z),与 成正比。当然，实际结构是千变万化的，如需精度极高的频率及振型，应按结构动力学原理直接进行计算。,三、按有限自由度体系的自振周期计算,（1）按质量总数分散集中到点上。,（2）按动能相等原则为基础。,这种按质星相等集中法，对质量数较多，例如超过3个时，精确度尚能满足要求，但当质量数很小，例如2个甚至1个，即产生十分可观的误差。当按质量总值集中法集中一个质量于是臂型结构顶端时，对频率或周期可以严生30.2的误差。,结构振动时，动能和势能不断改变，与质量有关的是结构的动能，质量不论采用什么方法或途径来改变分布形式，只要其动能维持不变，则一般仍具有原结构的振动形式。因而动能相等原则应是改变质量分布的主要依据。,四、按能量法计算自振周期,五、自振周期经验公式,6.3 高耸结构的顺风向弯曲响应及风振系数,一、顺风向平均风作用下的弯曲响应,在平均风作用下，响应(位移和内力)可由高耸结构的力学分析求得，但是如求的是位移，采用振型分解法可更为方便,式中：,高耸结构属于弯曲型结构，对于变截面结构，其振型可按前述方法求得，对于等截面结构，可采用均布荷载下挠曲线为近以第,l,振型，即,上式可写为,将风压高度变换系数和振型代入到前面式子中，可得各种地貌下的 ，制成表。,二、顺风向脉动风作用下的弯曲响应,只要求出风振力，即可求出各种响应。点风振力一般公式为,式中，,（1）当沿高度不变时,式中，,（2）沿高度作规则变化时,如果采用上面等截面计算的结果加以修正，则可得到简单的结果，这也是荷裁规范采用的方法,结构的外型尺寸可表示为：,根据,e=1,e1,e1,来区别不同的外型,用等截面的 值来表示,三、顺风向风力作用下的总弯曲响 应,风振系数,如果采用风振系数来计算，则,式中,在几何意义上，此值为高度,z,处迎风面宽度与底部宽度的比值,6.4 高耸结构横风向共振响应,由于高耸结构种类繁多，工程上只对一些简单且在实践中易受风破坏的结构进行分析并作计算上的简化。我国新订的高耸结构设计规范作了以下的筒化：,（1）,只针对圆形截面高耸结构，如烟囱等。,（2）只验算跨临界范围，非跨临界范围不需验算，只通过构造措施解决。,（3）只考虑等截面圆柱结构，非等截面圆锥体结构当斜率在2%以下时取2/3高度外径为准而化为等截面圆柱结构处理。,（4）共振风振理论上是从,H,1,到,H,2,有荷裁，考虑到,H,1,以下振型很小，如改为0影响不大，而,H,2,一般都超过,H,值，当小于,H,时，取,H,则偏于安全，因此将横向共振的风力分布改为全长分布，且不考虑临界风速沿高度的变化,（5）对于悬臂型结构，只考虑第,l,振型的影响，多层拉绳桅杆，根据情况可考虑的振型数不大于4,由以上各项简化，临界风速变成,第,j,振型的最大位移为,：,所以，有,对于第,l,振型，上式积分部分积分值为1.56，如近似取1.6，则上式变成,最大风振力为,：,对于第,l,振型，上式变成,高耸结构设计规范建议取,