長扁圓形鍋爐風荷載試驗研究

長扁圓形鍋爐風荷載試驗研究

山西省漳山發(fā)電有限公司計劃建設(shè)一座170米高的煙霧站。該煙囪外筒類似橢圓,采用鋼筋混凝土修筑,煙囪結(jié)構(gòu)平、立面簡圖見圖1所示。由于該煙囪外形較為特殊,風荷載是煙囪的主要設(shè)計荷載之一,且長扁圓形的煙囪風載取值規(guī)范沒有明確的規(guī)定1實驗模型和實驗材料根據(jù)本工程煙囪的實際外形特點和受力特點,最終的煙囪風洞試驗研究確定采用完全彈性模型試驗研究煙囪的風荷載及風致振動情況(圖2)。模型試驗主要考慮了幾何相似、動力相似、來流條件相似等幾個主要的相似性條件,且模擬出結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量、阻尼、剛度等特性,由于內(nèi)筒對風荷載大小沒有影響,所以只制作外筒模型。本工程的風洞試驗在北京大學環(huán)境學院風洞實驗室進行的。實驗風洞是一座直流吸式低速大氣邊界層風洞,試驗段寬3m,高2m,長32m。由于該風洞的試驗段很長,同一般的均勻流風洞所不同的是,該風洞可以在模型的試驗位置模擬地面粗糙度的影響,達到所要求的剪切速度剖面和相應(yīng)的湍流強度,因此可進行邊界層基礎(chǔ)研究、模擬大氣邊界層進行建筑風荷載試驗研究。1.1湍流檢測儀器熱線風速儀是用用電流加熱的熱線(膜)探頭置于待測流場某點中,被流體的對流熱傳遞所冷卻,不斷保持探頭的平衡溫度不變,檢測加熱電流與流速的動態(tài)對應(yīng)關(guān)系,由于探頭絲徑為微米量級,動態(tài)響應(yīng)達兆赫量級,因此靈敏度很高,是測量流聲脈動速度的重要儀器。該系統(tǒng)具有兩臺TSI1050-2C和一臺Kanomax共5個通道的熱線風速儀。儀器的電平噪聲小,信噪比強,動態(tài)響應(yīng)頻率大于500Hz。根據(jù)湍流測量的需要,配備了可測氣流、水流以及可測單方向的、多方向速度的各類探頭。信號處理軟件將脈動電信號分析加工,如平均速度、脈動速度、湍流度、功率譜、互相關(guān)等湍流測量所需要的各類結(jié)果。邊界層、流動分離、渦旋結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)性研究。(2)激光測振儀主要功能:非接觸式的測振設(shè)備,可同時測量速度和位移。技術(shù)指標:速度范圍:0.3μm/s～10m/s;位移范圍:0.01μm～40mm;頻率范圍:0.5Hz～1.5MHz(速度),DC～250kHz(位移);最大加速度:9600000g;測量距離:65mm～250m;輸出電壓:±10V(速度),±8V(位移)。1.2模型材料與試驗方法按常用的試驗縮尺比,模型的厚度比較小,制作模型的材料必須滿足一定的密度和剛度要求,其彈性模量既不能太大,也不能太小,否則將難以在合適的風速下進行試驗。通過大量的摸索和試驗,選擇彈性模型的縮尺比為1:130,模型高度130cm。制作模型的材料密度和鋼筋混凝土密度相當,彈性模量0.9GPa。為精確反映模型的厚度變化情況,模型的制作時先在水平放置的玻璃板一端抬起一個高度(4.6-2.3=2.3mm),采用配置好的材料倒到該玻璃板上,利用液體材料自動流成水平面的特性,形成一個長度為模型高度130mm,寬度為模型周長的面板,在面板初步凝固后,迅速將其卷曲在一個剛性內(nèi)胎模上,剛性內(nèi)胎模的尺寸等于模型的內(nèi)徑,熱固好接口,模型就制作成功。采用這一工藝制作的模型同實際情況相符性良好。根據(jù)對煙囪的基本動力特性的分析,試驗采用測量根部應(yīng)變的方法來研究煙囪的振動情況。根據(jù)對稱性原則,在煙囪根部四分之一周長范圍內(nèi)布置了8個應(yīng)變片,具體位置參見圖3。其中1至5號應(yīng)變片沿軸向布置,測量煙囪根部的軸向應(yīng)變。6至8號應(yīng)變片沿環(huán)向布置。試驗測量了360o范圍內(nèi)煙囪根部的應(yīng)變情況,以15o一個間隔,共計24個風向角。風向角定義參見圖3。試驗中采用的風速剖面及湍流脈動速度功率譜見圖4和圖5。試驗中使用Dantec生產(chǎn)的恒溫式熱線風速儀配合單絲熱線探頭測量風速剖面,采樣時間為10s。而在模型半高度位置進行了較長時間測量,以獲得脈動速度功率譜。采用應(yīng)變片配合日本NEC-Sanei公司的6M72應(yīng)變儀進行應(yīng)變測量。該應(yīng)變儀最高放大倍數(shù)為5000倍,為減小溫度影響,橋壓選擇為2V,橋路則選擇帶有溫度補償片的半橋方式。2試驗數(shù)據(jù)2.1方向的剛度對應(yīng)變分布的影響煙囪根部的應(yīng)變是隨時間變化的隨機量?？蓪⑺矔r應(yīng)變分為平均應(yīng)變和脈動應(yīng)變兩部分,即:均方根σ根據(jù)試驗結(jié)果的分析,可知本次試驗研究獲得的數(shù)據(jù)基本反映了煙囪在風荷載作用下的根部應(yīng)變特性。由于煙囪根部沿短軸方向的剛度較小,因而此處主要以長軸根部測點為例對煙囪應(yīng)變特征進行分析。圖6分別給出了1號和6號測點,即長軸根部的軸向與環(huán)向應(yīng)變隨風向的變化。在270o風向角時,1號和6號測點處于迎風面,軸向產(chǎn)生較大正應(yīng)變,而環(huán)向的則為較大的負應(yīng)變,90o風向角時應(yīng)變特征則剛好相反,這與煙囪在風荷載作用下的應(yīng)變特征是一致的。從圖6中可以看到,當長軸根部處于側(cè)風面時,其平均應(yīng)變和脈動應(yīng)變都比較小。實際上,由于煙囪關(guān)于長軸對稱,因而在0o風向角時橫向平均風荷載接近0,而脈動風荷載則是由于煙囪兩側(cè)的旋渦脫落引起的。據(jù)此分析,0o風向角時1號和6號測點的脈動應(yīng)變值也就比較小,說明煙囪的橫向振動并不嚴重。2.2極值應(yīng)變計算方法極值應(yīng)變可以用平均應(yīng)變和脈動應(yīng)變之和來表示,即:式中,g為峰值因子。Davenport于1967年給出了峰值因子的計算方法,并在建筑結(jié)構(gòu)的風洞模擬試驗中被廣泛采用,即:式中,ν為單位時間內(nèi),數(shù)據(jù)穿越平均值的次數(shù);T為根據(jù)該式計算得到的極值壓力是在T時長內(nèi)的極值壓力。這種計算方法實際上假定了隨機過程是穩(wěn)定的高斯過程,所以嚴格說來也應(yīng)該用于高斯過程的計算。雖然煙囪應(yīng)變的時間序列并不都是高斯過程,但是采用上式得到的極值應(yīng)變對于工程應(yīng)用已經(jīng)是足夠精確的,因而試驗中也采用該公式進行峰值因子和極值應(yīng)變的計算,其中T的取值根據(jù)GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》建筑結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的響應(yīng)是一個隨機量。為衡量風速脈動對其響應(yīng)的影響,通常引入陣風響應(yīng)因子進行考慮。在通常的設(shè)計中,常假設(shè)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是準靜態(tài)的,此時的陣風響應(yīng)因子可等同于風振系數(shù)。應(yīng)變的陣風響應(yīng)因子定義為:風洞試驗給出了各測點在所有風向下發(fā)生最大極值應(yīng)變時的陣風響應(yīng)因子。2.3橫向振動比較試驗表明,煙囪在風荷載作用下基本以一階振型為主。而當短軸為迎風面時,相比較來說煙囪的橫向振動要較為顯著,反映在振動頻譜上,也就相應(yīng)地出現(xiàn)了較多其它頻率。圖7和圖8給出了1號測點在0o和105o(最大極值負應(yīng)變對應(yīng)的風向角)的應(yīng)變時程曲線