基于ANSYS的高聳煙囪抗風抗震分析.doc

基于ANSYS的高聳煙囪抗風抗震分析 發(fā)表時間：2009-5-27 作者: 倪欣 來源: e-works 關鍵字: ansys高聳煙囪抗風抗震分析 高聳結構是一種高度和橫向尺寸之比較大的建筑物，橫向載荷起主導作用。因為高寬之比較大，結構抗彎強度相對較柔，在橫向載荷作用下，容易產生較大的振動和變形。本文主要結合工廠設計方案中的高聳煙囪進行設計和計算。 高聳結構是一種高度和橫向尺寸之比較大的建筑物，橫向載荷起主導作用。因為高寬之比較大，結構抗彎強度相對較柔，在橫向載荷作用下，容易產生較大的振動和變形。 高聳結構分為兩種基本類型：一種是直立式的塔式結構，另一種是拉線式的桿式結構。前者在地面固接，計算時可以在某種程度上簡化為懸臂梁；后者中心桿身受幾個方位的纖繩扶持，而保持結構的直立和穩(wěn)定，計算時相當于彈性支座連續(xù)梁。 高聳結構主要側重的載荷是風載荷和地震載荷。在非地震區(qū)，風載荷自然占據控制地位。即使在地震區(qū)，由于高聳結構越來越高，相對來說，剛度也會越柔，風載荷的影響仍然是非常大的。地震載荷由于常常具有非常強的破壞力，也成為高層建筑設計中不可忽視的問題。因此，高層結構的抗風抗震的計算，是高層建筑設計中的重要內容。 本文主要結合工廠設計方案中的高聳煙囪進行設計和計算，如圖1（模型已進行了一部分簡化）。各部分數據如下：囪高30m，中間為空心。整個煙囪呈錐體結構，外壁斜率為45：1，內壁斜率為50：1，底面半徑為2m，空心底面半徑為1.4m。材料的密度為2500kg/m3，彈性模量為2.9e10。圖1 高聳結構在兩種主要動載荷（風載荷和地震載荷）作用下其動力反映是不同的。脈動風載荷作用下（包括順風向、橫風向漩渦干擾力），引起高聳結構的振動反應（包括動應力，動位移，振動加速度）。地震作用下（包括兩個方向的水平地震和豎向地震），也會引起結構的動應力，動位移和振動加速度等振動反應。風載荷作用是以外載荷形式沿結構高度風向分布的，地震作用是通過地面運動加速度使結構產生慣性力，兩種不同方向的動力源導致結構響應也不同。 高聳結構振動反映和結構本身的動力特性有關，結構的材料性質，質量分布，結構的剛度和結構的形式都將影響結構的動力特性。風載荷和地震作用的計算也離不開結構的自振頻率和周期各階振型。故在進行風載荷和地震模擬前應進行狀態(tài)提取。 風的強度稱為風力，常用風級表示。風級是根據風對地面物體的影響程度而定出的等級。由于根據地面物體對風的影響程度比較籠統，人們習慣用風速大小來表示風級。 為了便于結構的設計計算，常常將風速轉為風壓來表明風力的大小。低速運動的空氣可作為不可壓縮的流體看待。對于不可壓縮理想流體質點作穩(wěn)定運動的伯努利方程，當它在同一水平線上運動時的能量表達式為WaV+1/2mv2=c式中：WaV稱為靜壓能，其中Wa為單位面積上的靜壓力（KN/m2）,v為風的速度，V為空氣質點的體積，m為運動流體的質量。 在氣壓為101.325KPa，常溫15攝氏度和絕對干燥的情況下，=0.012 KN/m2，在緯度45處，海平面上重力加速度為9.8m/s2，由自由風速提供單位面積上的風壓力為： KN/m2 根據風速大小，可以求出風壓。但是隨著高度變化，風速也相應變化，位置越高，風速越大，而且隨著周圍環(huán)境的不同，風速也會有不同的值。 本文的風載荷采用如下模型：q= 式中Y為高度，單位為m，w為激勵角頻率，q為風壓大小，單位為Pa。 地震載荷對高聳結構的破壞是非常嚴重的，而且該破壞往往還隱藏著潛在危險，故對高聳結構進行地震模擬很有必要。 地震理論主要包括一下三個： 1）靜力理論。該理論不考慮建筑物的動力特性，假設結構物為絕對剛性，地震時建筑物運動與地面運動絕對一致，建筑物的最大加速度等于地面運動的最大加速度，建筑物所受的最大載荷等于其質量與地面最大加速度的乘積。該理論只適用于低矮的，剛性較大的建筑物。 2）反應譜理論。它既考慮了地震時地面的動力特性，也考慮了結構自身的動力特性，是當前工程設計應用最為廣泛的地震設計方法之一。反應譜理論是以單質點體系在實際地震作用下的反應為基礎來分析結構反應的方法?？拐鹪O計中通常只需地震作用下的最大載荷值，其值為： w為質點質量，稱為水平地震影響因素。 3）直接動力分析理論。反應譜在分析大跨度的柔性結構時，由于非線性因素的影響，反應譜方法的計算誤差較大。直接動力分析理論可以克服反應譜理論的缺點?？芍苯荧@得地震過程中結構節(jié)點各時刻位移，速度，加速度，從而計算各時刻豎向地震作用和構件的地震內力，這些理論稱為直接動力分析理論。 下面進行ANSYS的建模，模型完成后的圖形如圖2。圖2 風載荷和地震載荷分兩次模擬。首先模擬風載荷，在模型右側面上施加風壓，風壓公式在上面已經給出。下面給出分析完成后的結果圖。圖3所示是在時間2.826s時，Y（豎向）方向上的位移圖。圖3 下面在繪制煙囪不同位置的節(jié)點的時間歷程圖。首先，選取三個節(jié)點，分別為煙囪頂部節(jié)點（up），煙囪中部節(jié)點（mid），煙囪底部節(jié)點（down）。圖4中顯示的是這三個節(jié)點在X方向上的位移變化曲線；圖5顯示的是這三個節(jié)點在Y方向上的位移變化曲線；圖6顯示的是這三個節(jié)點在X方向上速度的變化曲線；圖7顯示的是在Y方向上速度的變化曲線。可以看出，這些圖中量級都在e-5以上，這說明該煙囪在此風載荷作用下，豎向和橫向的位移都很小，即煙囪的振幅很小，結構較安全。圖4圖5圖6圖7 以下進行地震載荷作用時，煙囪的動態(tài)響應。本文地震分析采用的是某地的地震波，取其垂直方向和南北方向的記錄，記錄時間長5.4s，取點時間間隔為0.1s，共有54個數據點。由于篇幅原因，本文不給出相關的地震波數據，讀者可以查閱相關的資料，以獲得這些數據。下面結合最后的結果圖說明。圖8顯示的是地震結束時的變形圖，可以看出結構受地震影響還是很大的。圖9顯示的是三個節(jié)點的X方向位移變化曲線；圖9顯示的是Y方向位移變化曲線；圖10顯示的是三個節(jié)點的X方向速度變化曲線；圖1