高聳結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計課件

高聳結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計高聳結(jié)構(gòu)是指其寬度和深度遠(yuǎn)小于高度的瘦長結(jié)構(gòu)。其中煙囪和電視塔、輸電塔、石油化工塔等最為常用。本章主要討論高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)響應(yīng)實用的計算方法，采用前面所述風(fēng)振動力分析的原理和方法，即按風(fēng)振隨機振動的振型分解法。6.1高聳結(jié)構(gòu)（煙囪、塔架）受力

情況分析

一、煙囪檢查共振風(fēng)速是否屬于跨臨界范圍。煙囪屬于空心的結(jié)構(gòu)，50m以上的煙囪平均外直徑一般在4-12m之間，周期在0.5-2.5s之間，斯脫羅哈數(shù)通?？扇?.2。由前所述，共振風(fēng)速在24-40m／s之間，這樣的風(fēng)速在實際工程中是能夠出現(xiàn)的。又根據(jù)雷諾數(shù)的計算式，雷諾數(shù)當(dāng)在3.5X106以上。所以可以發(fā)生橫風(fēng)向旋渦脫落共振。分析時應(yīng)予以考慮。除了順風(fēng)向響應(yīng)必須考慮外，應(yīng)檢查橫風(fēng)向共振和失穩(wěn)式效應(yīng)的可能性。

橫風(fēng)向風(fēng)力僅為順風(fēng)向風(fēng)力的0.20-0.25倍，但橫風(fēng)向共振動力系數(shù)為，此值對鋼結(jié)構(gòu)為50，對鋼筋混凝土為10。由此可見，對鋼煙囪，橫風(fēng)向共振等效風(fēng)力作用可相當(dāng)于順風(fēng)向風(fēng)力的10-12.5倍，而順風(fēng)向風(fēng)力在順風(fēng)向放大作用只有一倍或多一些，所以鋼煙囪的受力完全由橫風(fēng)向所控制。對于鋼筋混凝土煙囪，橫風(fēng)向共振等效風(fēng)力只相當(dāng)于順風(fēng)向風(fēng)力的2-2.51S，而順風(fēng)向風(fēng)力在順風(fēng)向的放大作用也差不多這個倍數(shù)，所以鋼筋混凝土煙囪順風(fēng)向和橫風(fēng)向的作用都要控制，是雙向受力都重要的一種情況。圓截面的煙囪最為經(jīng)常被采用，而圓截面結(jié)構(gòu)是不可能橫向失穩(wěn)的，因而可以不考慮。

塔架為桁架式結(jié)構(gòu)，在電視塔類塔架中，塔架中部還有電梯井結(jié)構(gòu)。要發(fā)生橫風(fēng)向共振，必須滿足兩個指標(biāo)，即共振風(fēng)速必須在設(shè)計風(fēng)速范圍之內(nèi)，而雷諾數(shù)又在跨臨界范圍。桁架的(斯脫羅哈數(shù))S在0.15上下，但迎風(fēng)面尺度由于桿件組合而難以確定。作為粗糙分析，如果把迎風(fēng)面x向的尺度集中在一起計算，則其尺度常在2m以上，周期常在0.3s以上．所以共振風(fēng)速在40m／s以上。這樣的風(fēng)速一般很少出現(xiàn)，所以除了重要的塔架需仔細(xì)加以分析外，一般塔架可忽略橫風(fēng)向共振的作用。二、塔架單根的圓管不發(fā)生失穩(wěn)式效應(yīng)。在非圓截面桿件組成塔架時，臨界風(fēng)速一股也在50m／s以上，因而發(fā)生的可能性比橫風(fēng)向共振更少，除了重要的塔架以外，也可不進(jìn)行驗算。6.2高聳結(jié)構(gòu)（煙囪、塔架）的

自振周期和頻率

一、高聳結(jié)構(gòu)的變形特征

除了煙囪屬于沿高度變化而無剛強的橫隔結(jié)構(gòu)(圖6-1a)以外，實際上塔架結(jié)構(gòu)也屬于這種類型。塔架中由橫桿組成的橫隔結(jié)構(gòu)很弱，不像高層結(jié)構(gòu)樓層平面那樣剛強。在計算時，如將各層立柱也可包括斜桿折算成等效彎曲剛度EI及等效剪切剛度GA，(見圖6-1b)，則它的性能與煙囪等同。在振動時，它們的變形如圖6-1c所示，因而高聳結(jié)構(gòu)的變形型式屬于彎曲型。圖6-1高聳結(jié)構(gòu)的變形二、按無限自由度體系的自振周期計算

對于變截面結(jié)構(gòu)，振型方程應(yīng)按任意截面方程直接解出，從而求出自振頻率或周期。假定質(zhì)量與成正比，剛度EI(z)與成正比。當(dāng)然，實際結(jié)構(gòu)是千變?nèi)f化的，如需精度極高的頻率及振型，應(yīng)按結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理直接進(jìn)行計算。三、按有限自由度體系的自振周期計算（1）按質(zhì)量總數(shù)分散集中到點上。（2）按動能相等原則為基礎(chǔ)。這種按質(zhì)星相等集中法，對質(zhì)量數(shù)較多，例如超過3個時，精確度尚能滿足要求，但當(dāng)質(zhì)量數(shù)很小，例如2個甚至1個，即產(chǎn)生十分可觀的誤差。當(dāng)按質(zhì)量總值集中法集中一個質(zhì)量于是臂型結(jié)構(gòu)頂端時，對頻率或周期可以嚴(yán)生30.2％的誤差。

結(jié)構(gòu)振動時，動能和勢能不斷改變，與質(zhì)量有關(guān)的是結(jié)構(gòu)的動能，質(zhì)量不論采用什么方法或途徑來改變分布形式，只要其動能維持不變，則一般仍具有原結(jié)構(gòu)的振動形式。因而動能相等原則應(yīng)是改變質(zhì)量分布的主要依據(jù)。四、按能量法計算自振周期五、自振周期經(jīng)驗公式6.3高聳結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向彎曲響應(yīng)及風(fēng)振系數(shù)一、順風(fēng)向平均風(fēng)作用下的彎曲響應(yīng)

在平均風(fēng)作用下，響應(yīng)(位移和內(nèi)力)可由高聳結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析求得，但是如求的是位移，采用振型分解法可更為方便式中：高聳結(jié)構(gòu)屬于彎曲型結(jié)構(gòu)，對于變截面結(jié)構(gòu)，其振型可按前述方法求得，對于等截面結(jié)構(gòu)，可采用均布荷載下?lián)锨€為近以第l振型，即上式可寫為

將風(fēng)壓高度變換系數(shù)和振型代入到前面式子中，可得各種地貌下的，制成表。二、順風(fēng)向脈動風(fēng)作用下的彎曲響應(yīng)只要求出風(fēng)振力，即可求出各種響應(yīng)。點風(fēng)振力一般公式為式中，（1）當(dāng)沿高度不變時式中，（2）沿高度作規(guī)則變化時如果采用上面等截面計算的結(jié)果加以修正，則可得到簡單的結(jié)果，這也是荷裁規(guī)范采用的方法結(jié)構(gòu)的外型尺寸可表示為：根據(jù)e=1,e>1,e<1來區(qū)別不同的外型用等截面的值來表示三、順風(fēng)向風(fēng)力作用下的總彎曲響應(yīng)——風(fēng)振系數(shù)如果采用風(fēng)振系數(shù)來計算，則式中在幾何意義上，此值為高度z處迎風(fēng)面寬度與底部寬度的比值6.4高聳結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向共振響應(yīng)由于高聳結(jié)構(gòu)種類繁多，工程上只對一些簡單且在實踐中易受風(fēng)破壞的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并作計算上的簡化。我國新訂的高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范作了以下的筒化：（1）只針對圓形截面高聳結(jié)構(gòu)，如煙囪等。（2）只驗算跨臨界范圍，非跨臨界范圍不需驗算，只通過構(gòu)造措施解決。（3）只考慮等截面圓柱結(jié)構(gòu)，非等截面圓錐體結(jié)構(gòu)當(dāng)斜率在2%以下時取2/3高度外徑為準(zhǔn)而化為等截面圓柱結(jié)構(gòu)處理。（4）共振風(fēng)振理論上是從H1到H2有荷裁，考慮到H1以下振型很小，如改為0影響不大，而H2一般都超過H值，當(dāng)小于H時，取H則偏于安全，因此將橫向共振的風(fēng)力分布改為全長分布，且不考慮臨界風(fēng)速沿高度的變化（5）對于懸臂型結(jié)構(gòu)，只考慮第l振型的影響，多層拉繩