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超高烟囱的风荷载试验研究

孙一飞 刘庆宽 马文勇 刘小兵 贾娅娅

孙一飞, 刘庆宽, 马文勇, 刘小兵, 贾娅娅. 超高烟囱的风荷载试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 270-274. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S049
引用本文: 孙一飞, 刘庆宽, 马文勇, 刘小兵, 贾娅娅. 超高烟囱的风荷载试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 270-274. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S049
Yi-fei SUN, Qing-kuan LIU, Wen-yong MA, Xiao-bing LIU, Ya-ya JIA. THE WIND LOAD OF SUPER HIGH CHIMNEYS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 270-274. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S049
Citation: Yi-fei SUN, Qing-kuan LIU, Wen-yong MA, Xiao-bing LIU, Ya-ya JIA. THE WIND LOAD OF SUPER HIGH CHIMNEYS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 270-274. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S049

超高烟囱的风荷载试验研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S049
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(51778381);河北省自然科学基金重点项目(E2018210044);河北省高等学校高层次人才项目(GCC2014046)
详细信息
    作者简介:

    孙一飞(1993−),男,河北人,博士生,主要从事桥梁抗风研究(E-mail: syf931124@163.com)

    马文勇(1981−),男,陕西人,教授,博士,主要从事结构抗风研究(E-mail: mawenyong@126.com)

    刘小兵(1982−),男,湖南人,副教授,博士,主要从事桥梁抗风研究(E-mail: x_b_liu@126.com)

    贾娅娅(1987−),女,河北人,讲师,工学博士,主要从事结构抗风研究(E-mail: jia_jyy@126.com)

    通讯作者: 刘庆宽(1971−),男,河北人,教授,博士,博导,主要从事桥梁与结构的风荷载,风致振动与控制研究(E-mail: lqk@stdu.edu.cn)
  • 中图分类号: TU312.1

THE WIND LOAD OF SUPER HIGH CHIMNEYS

  • 摘要: 超高烟囱由于场地基本风速高、长细比大、刚度小和阻尼低,风荷载及风致振动问题非常突出。通过刚性模型测压风洞试验,对超高烟囱的风压分布开展了研究和分析,分析了高度和外界干扰对烟囱外表面风压分布的影响规律,探讨了在局部开孔情况下,风向角对内压分布的影响。研究结果表明:在无干扰状态下,仅有分离点附近风压随高度变化显著,且呈现随高度增加,风压先逐渐增大,然后保持不变的规律;在有干扰状态下,当风向角为0°时,干扰建筑只对自身高度范围内的烟囱风压产生显著影响,且高度越低,体型系数沿环向分布越均匀,数值越靠近0,高度越高,越接近圆柱绕流的风压分布;当存在局部开孔时,内压随高度变化很小,但随风向角变化显著,从0°~90°,内压逐渐减小,但内压绝对值逐渐增大,最小值甚至可以达到−0.8。
  • 图  1  模型外形及测压点布置示意图

    Figure  1.  Geometry and pressure taps arrangement of model

    图  2  D类风场(美标)

    Figure  2.  D category wind field (American norm)

    图  3  雷诺数效应分析

    Figure  3.  Analysis of Reynolds number effect

    图  4  无干扰状态下的风压分布规律

    Figure  4.  Wind pressure distribution on non-distribution condition

    图  5  有干扰状态下,风向角为0°时的风压分布情况

    Figure  5.  Wind pressure distributions at wind direction angle of 0° on distribution condition

    图  6  局部开孔下,不同风向角下,体型系数变化规律

    Figure  6.  Variation of shape coefficient in different wind direction angles with partial open holes

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-21
  • 修回日期:  2020-02-18
  • 网络出版日期:  2020-06-01
  • 刊出日期:  2020-06-01

超高烟囱的风荷载试验研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S049
    基金项目:  国家自然科学基金面上项目(51778381);河北省自然科学基金重点项目(E2018210044);河北省高等学校高层次人才项目(GCC2014046)
    作者简介:

    孙一飞(1993−),男,河北人,博士生,主要从事桥梁抗风研究(E-mail: syf931124@163.com)

    马文勇(1981−),男,陕西人,教授,博士,主要从事结构抗风研究(E-mail: mawenyong@126.com)

    刘小兵(1982−),男,湖南人,副教授,博士,主要从事桥梁抗风研究(E-mail: x_b_liu@126.com)

    贾娅娅(1987−),女,河北人,讲师,工学博士,主要从事结构抗风研究(E-mail: jia_jyy@126.com)

    通讯作者: 刘庆宽(1971−),男,河北人,教授,博士,博导,主要从事桥梁与结构的风荷载,风致振动与控制研究(E-mail: lqk@stdu.edu.cn)
  • 中图分类号: TU312.1

摘要: 超高烟囱由于场地基本风速高、长细比大、刚度小和阻尼低,风荷载及风致振动问题非常突出。通过刚性模型测压风洞试验,对超高烟囱的风压分布开展了研究和分析,分析了高度和外界干扰对烟囱外表面风压分布的影响规律,探讨了在局部开孔情况下,风向角对内压分布的影响。研究结果表明:在无干扰状态下,仅有分离点附近风压随高度变化显著,且呈现随高度增加,风压先逐渐增大,然后保持不变的规律;在有干扰状态下,当风向角为0°时,干扰建筑只对自身高度范围内的烟囱风压产生显著影响,且高度越低,体型系数沿环向分布越均匀,数值越靠近0,高度越高,越接近圆柱绕流的风压分布;当存在局部开孔时,内压随高度变化很小,但随风向角变化显著,从0°~90°,内压逐渐减小,但内压绝对值逐渐增大,最小值甚至可以达到−0.8。

English Abstract

孙一飞, 刘庆宽, 马文勇, 刘小兵, 贾娅娅. 超高烟囱的风荷载试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 270-274. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S049
引用本文: 孙一飞, 刘庆宽, 马文勇, 刘小兵, 贾娅娅. 超高烟囱的风荷载试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 270-274. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S049
Yi-fei SUN, Qing-kuan LIU, Wen-yong MA, Xiao-bing LIU, Ya-ya JIA. THE WIND LOAD OF SUPER HIGH CHIMNEYS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 270-274. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S049
Citation: Yi-fei SUN, Qing-kuan LIU, Wen-yong MA, Xiao-bing LIU, Ya-ya JIA. THE WIND LOAD OF SUPER HIGH CHIMNEYS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 270-274. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S049
  • 随着烟囱高度的增大,风荷载和风致振动问题越来越突出,受到了广泛关注。目前,学界对于超高烟囱的研究主要集中在以下几个方面:第一,异形烟囱的体型系数和风振系数的变化规律[1-2];第二,各国规范对于烟囱风荷载计算方法对比[3];第三,烟囱的横风向涡激振动和顺风向风振分析[4-7];第四,群体烟囱的干扰效应研究[8-10]。上述研究均主要针对烟囱外表面的风压,较少考虑内表面的风压,但烟囱表面存在大量烟道口和施工口,内压可能比预计情况复杂的多。鉴于此,该研究以某275 m高的圆形钢筋混凝土烟囱为研究对象,通过刚性模型测压风洞试验,研究了烟囱内、外表面的风压分布情况,分析了高度、风向角、周围干扰和局部开孔对风压分布的影响规律,以期为同类结构的研究与设计提供参考。

    • 风洞试验在石家庄铁道大学STU-1风洞的低速试验段进行,试验断面宽4.4 m,高3 m,最大风速可达30 m/s。实际烟囱高度为275 m,底部直径为29.1 m,顶部直径为19 m。模型材质为ABS板,缩尺比为1∶200,与实际烟囱外形几何相似且具有足够的刚度。测压点包括内测压点和外测压点,均沿模型高度方向布置,其中外部测压点从低到高共布置18圈,第1圈~8圈每圈均匀布置18个,间隔为20°,第9~18圈每圈均匀布置12个,间隔为30°;内部测压点也是18圈,除第3圈均匀布置18个,其余每圈均匀布置6个,模型的几何外形及测压点布置如图1所示。试验的风场类型为美标的D类风场,在风洞中利用粗糙元、尖劈和格栅来模拟该风场,各组件的布置方式如图2所示。在试验过程中,自由来流风速为12 m/s,风向角范围为0°~360°,间隔为10°/5°,压力测量频率为330 Hz,测量时间为90 s。

    • 对于超高烟囱而言,其所在场地的基本风速较大,与之相适应,设计基准风速也很大。另外,由于地面边界层的影响,超高的高度使得烟囱上部的风速进一步增大,所以空气绕烟囱的流动状态一般处于超临界区或高超临界区。为了在实验室中模拟烟囱周围真实的流动状态,该研究通过粘贴纸胶带的方法来考虑雷诺数效应的影响。

      图  1  模型外形及测压点布置示意图

      Figure 1.  Geometry and pressure taps arrangement of model

      图  2  D类风场(美标)

      Figure 2.  D category wind field (American norm)

      图3展示了不同粗糙表面的烟囱的平均阻力系数随风速的变化规律。可以看出:在第一种粗糙表面下,215 m和230 m高度处的平均阻力系数在达到最大风速时仍然呈下降趋势,没有收敛的迹象,即雷诺数效应依然存在;在第二种粗糙表面和第三种粗糙表面下,各高度处的平均阻力系数在达到最大风速时均收敛,即达到自准区。其中第二种粗糙表面的结果与相关规范规定取值更接近,故该研究是在第二种粗糙表面下进行的。

      图  3  雷诺数效应分析

      Figure 3.  Analysis of Reynolds number effect

    • 模型表面的风压一般用无量纲化的风压系数或体型系数来表征,风压系数和体型系数的定义和计算可通过下式确定:

      $$ \begin{split} &{C_{{\rm{p}}i}} = \dfrac{{{p_i} - {p_{\rm{s}}}}}{{{p_{\rm{t}}} - {p_{\rm{s}}}}}\\& {u_{{\rm{s}}i}} = {C_{{\rm{p}}i}} \cdot {\left( {\dfrac{{{z_i}}}{z}} \right)^{2 \cdot \alpha }} \end{split} $$ (1)

      式中:pi表示测压点i处的风压;ptps分别为参考点处的总压和静压;zi为测压点i处的高度;z为参考点的高度;α为相应地貌类型的粗糙度指数;Cpiusi分别为测压点i的风压系数和体型系数,求其平均值和根方差值分别可以得到平均风压系数、脉动风压系数、平均体型系数和脉动体型系数。

    • 图4是在无干扰状态下的风压分布情况,其中图4(a)是不同高度处的体型系数沿环向的分布曲线,图4(b)是80°附近的最小体型系数随高度的变化情况。

      图  4  无干扰状态下的风压分布规律

      Figure 4.  Wind pressure distribution on non-distribution condition

      根据图4可得,由于前两层测压点离地面较近,数据可能会受到地面的影响,所以从第三层的体型系数开始分析。从图4(a)可以看出,体型系数沿环向的分布曲线整体对称性很好,但体型系数随高度存在明显变化,该变化与环向的位置有关,迎风区和背风区几乎不随高度变化,差别很小,但是两侧分离点附近差别很大。该区域的体型系数基本上先随高度线性增大,然后趋于稳定,即随高度增加,两侧承受的吸力先逐渐减小至某一最小值,然后保持不变,这点在图4(b)中也可以明显看出。

    • 图5展示了在有干扰状态下,风向角为0°时的风压分布情况,其中,图5(a)是不同高度处的体型系数沿环向的分布曲线,图5(b)是80°附近最小体型系数随测压点层数的变化情况。

      图  5  有干扰状态下,风向角为0°时的风压分布情况

      Figure 5.  Wind pressure distributions at wind direction angle of 0° on distribution condition

      根据图5可得,第3层~第5层测压点受干扰影响很大,每层测压点体型系数沿环向的变化规律与圆柱绕流相差很大,体型系数沿环向基本不变化,而随着高度的增加,大约从第7层开始,变化规律逐渐接近圆柱,向无干扰状态时的变化规律靠拢,这表明周围的干扰在α=0°时主要影响6层以下的高度范围。

      另外,根据图5图4可知,无论是有干扰状态还是无干扰状态,在第8层及其以上的高度范围内,体型系数随高度基本无变化,但有、无干扰两种状态下,体型系数的数值不同,有干扰状态下,背风侧体型系数在−0.7附近,最小体型系数在−1.4附近,而在无干扰状态下,相应位置的体型系数分别约为−0.5和−1.2;在第8层及其以下的高度范围内,分离点附近的体型系数随高度变化非常显著,在无干扰状态下,分离点附近的体型系数随高度逐渐增大,即体型系数绝对值逐渐减小,而在有干扰状态下,分离点附近的体型系数随高度逐渐减小,即体型系数绝对值逐渐增大,这表明干扰的存在使得烟囱下部承受的顺风向荷载与横风向荷载减小了。

    • 图6是在局部开孔状态下,不同风向角下,烟囱内部的风压分布情况。

      图  6  局部开孔下,不同风向角下,体型系数变化规律

      Figure 6.  Variation of shape coefficient in different wind direction angles with partial open holes

      目前对于烟囱的抗风设计,一般是不考虑内压的,认为负压相互抵消,对于整体风荷载没有贡献。根据图7可知,烟囱的内压从−0.2变化到−0.9,其导致的环向压力是非常大的,因此,进行烟囱环向设计时,应适当考虑内压的影响。另外,烟囱内部的风压基本不随高度变化,但是各个风向角下的数值却有很大差异,0°风向角时内压在−0.4附近,当风向角从0°增大到90°,内压逐渐减小,即内压绝对值逐渐增大,但是60°~90°的减小已经不明显,表明随着风向角的变化,内压逐渐减小,对于环向的压力是逐渐增大的。

    • 通过对超高层烟囱进行刚性模型测压风洞试验,主要得出以下结论:

      (1) 在无干扰状态下,仅有分离点附近体型系数随高度变化明显,且呈现随高度增加,体型系数逐渐增大,然后保持不变的规律。

      (2) 在有干扰状态下,当风向角为0°时,在前8层范围内,风压分布随高度变化显著,高度越低,环向各个位置的体型系数越均匀,且体型系数绝对值越靠近0,高度越高,越接近圆柱绕流的风压分布,在8层往上,风压分布与圆柱绕流的风压分布规律接近,且随高度变化不大。

      (3) 对于内压而言,其随高度变化很小,但随风向角变化显著,从0°~90°,内压逐渐减小,内压绝对值增大,最小体型系数甚至可以达到−0.8。

参考文献 (10)

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