長扁圓形鍋爐風(fēng)荷載試驗(yàn)研究

長扁圓形鍋爐風(fēng)荷載試驗(yàn)研究

山西省漳山發(fā)電有限公司計(jì)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(fēng)荷載是煙囪的主要設(shè)計(jì)荷載之一,且長扁圓形的煙囪風(fēng)載取值規(guī)范沒有明確的規(guī)定1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)驗(yàn)材料根據(jù)本工程煙囪的實(shí)際外形特點(diǎn)和受力特點(diǎn),最終的煙囪風(fēng)洞試驗(yàn)研究確定采用完全彈性模型試驗(yàn)研究煙囪的風(fēng)荷載及風(fēng)致振動情況(圖2)。模型試驗(yàn)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(fēng)荷載大小沒有影響,所以只制作外筒模型。本工程的風(fēng)洞試驗(yàn)在北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞是一座直流吸式低速大氣邊界層風(fēng)洞,試驗(yàn)段寬3m,高2m,長32m。由于該風(fēng)洞的試驗(yàn)段很長,同一般的均勻流風(fēng)洞所不同的是,該風(fēng)洞可以在模型的試驗(yàn)位置模擬地面粗糙度的影響,達(dá)到所要求的剪切速度剖面和相應(yīng)的湍流強(qiáng)度,因此可進(jìn)行邊界層基礎(chǔ)研究、模擬大氣邊界層進(jìn)行建筑風(fēng)荷載試驗(yàn)研究。1.1湍流檢測儀器熱線風(fēng)速儀是用用電流加熱的熱線(膜)探頭置于待測流場某點(diǎn)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(dá)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(fēng)速儀。儀器的電平噪聲小,信噪比強(qiáng),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(biāo):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(yàn)方法按常用的試驗(yàn)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(fēng)速下進(jìn)行試驗(yàn)。通過大量的摸索和試驗(yàn),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(dāng),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(shí)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(yàn)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(yàn)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(jì)24個風(fēng)向角。風(fēng)向角定義參見圖3。試驗(yàn)中采用的風(fēng)速剖面及湍流脈動速度功率譜見圖4和圖5。試驗(yàn)中使用Dantec生產(chǎn)的恒溫式熱線風(fēng)速儀配合單絲熱線探頭測量風(fēng)速剖面,采樣時間為10s。而在模型半高度位置進(jìn)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(jìn)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(bǔ)償片的半橋方式。2試驗(yàn)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(jī)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(yàn)結(jié)果的分析,可知本次試驗(yàn)研究獲得的數(shù)據(jù)基本反映了煙囪在風(fēng)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(diǎn)為例對煙囪應(yīng)變特征進(jìn)行分析。圖6分別給出了1號和6號測點(diǎn),即長軸根部的軸向與環(huán)向應(yīng)變隨風(fēng)向的變化。在270o風(fēng)向角時,1號和6號測點(diǎn)處于迎風(fēng)面,軸向產(chǎn)生較大正應(yīng)變,而環(huán)向的則為較大的負(fù)應(yīng)變,90o風(fēng)向角時應(yīng)變特征則剛好相反,這與煙囪在風(fēng)荷載作用下的應(yīng)變特征是一致的。從圖6中可以看到,當(dāng)長軸根部處于側(cè)風(fēng)面時,其平均應(yīng)變和脈動應(yīng)變都比較小。實(shí)際上,由于煙囪關(guān)于長軸對稱,因而在0o風(fēng)向角時橫向平均風(fēng)荷載接近0,而脈動風(fēng)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(fēng)向角時1號和6號測點(diǎn)的脈動應(yīng)變值也就比較小,說明煙囪的橫向振動并不嚴(yán)重。2.2極值應(yīng)變計(jì)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(jì)算方法,并在建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞模擬試驗(yàn)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(jì)算得到的極值壓力是在T時長內(nèi)的極值壓力。這種計(jì)算方法實(shí)際上假定了隨機(jī)過程是穩(wěn)定的高斯過程,所以嚴(yán)格說來也應(yīng)該用于高斯過程的計(jì)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(yàn)中也采用該公式進(jìn)行峰值因子和極值應(yīng)變的計(jì)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(fēng)荷載作用下的響應(yīng)是一個隨機(jī)量。為衡量風(fēng)速脈動對其響應(yīng)的影響,通常引入陣風(fēng)響應(yīng)因子進(jìn)行考慮。在通常的設(shè)計(jì)中,常假設(shè)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是準(zhǔn)靜態(tài)的,此時的陣風(fēng)響應(yīng)因子可等同于風(fēng)振系數(shù)。應(yīng)變的陣風(fēng)響應(yīng)因子定義為:風(fēng)洞試驗(yàn)給出了各測點(diǎn)在所有風(fēng)向下發(fā)生最大極值應(yīng)變時的陣風(fēng)響應(yīng)因子。2.3橫向振動比較試驗(yàn)表明,煙囪在風(fēng)荷載作用下基本以一階振型為主。而當(dāng)短軸為迎風(fēng)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(diǎn)在0o和105o(最大極值負(fù)應(yīng)變對應(yīng)的風(fēng)向角)的應(yīng)變時程曲線