一種高聳升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高聳升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析方法，屬于高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)高水頭水利樞紐的建設(shè)和內(nèi)河水運(yùn)的發(fā)展，超大升程垂直升船機(jī)越來越 受到人們的關(guān)注，升船機(jī)的設(shè)計(jì)和研宄工作日愈顯得重要，而目前的塔柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工 技術(shù)還遠(yuǎn)不能夠滿足目前水電建設(shè)的需要。就超大升程垂直升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)而言，其屬于 高聳薄壁結(jié)構(gòu)，對(duì)于高聳薄壁結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載常常重要荷載之一。
[0003]由于目前尚無專門針對(duì)水工建筑物高聳結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范，塔柱的抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要參 考工民建《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，即依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定風(fēng)壓體型系數(shù)、 風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)等，進(jìn)而確定作用于塔柱結(jié)構(gòu)的確定性荷載。而實(shí)際上由于 垂直升船機(jī)塔柱是一種特殊的高聳結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)風(fēng)速和設(shè)計(jì)風(fēng)壓的確定過程中，不但需要 考慮橫向風(fēng)和順河向風(fēng)，而且存在中間船廂通道、吊物孔通道、頂部機(jī)房之間氣流的相互干 擾，四周受到大壩壩體及上下閘室、甚至壩址區(qū)局部山谷地形對(duì)氣流的影響。更重要的是復(fù) 雜流場(chǎng)與高柔結(jié)構(gòu)之間可能產(chǎn)生渦流并激發(fā)渦激振動(dòng)，尤其是極端風(fēng)級(jí)情況下的風(fēng)動(dòng)力響 應(yīng)，是一個(gè)典型的流固耦合風(fēng)致振動(dòng)問題，學(xué)科交叉性強(qiáng)的特點(diǎn)使得此問題的研宄不夠完 善。因此，開展高聳塔柱結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)研宄具有重大意義。
[0004]報(bào)告"三峽升船機(jī)風(fēng)工程研宄中間報(bào)告一一三峽升船機(jī)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)"（西 南交通大學(xué)，1994)中對(duì)三峽升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果顯示由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)所得 的風(fēng)載體型系數(shù)比荷載規(guī)范中高層建筑物風(fēng)載體型系數(shù)小得多，相差約一倍左右，為三峽 升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析提供了一定的依據(jù)，但風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒎浅＠щy，不僅花費(fèi) 比較高，制作時(shí)間也比較長(zhǎng)，而且還要面臨一些相似準(zhǔn)則不能得到滿足等問題；鈕新強(qiáng)院士 在其博士論文（三峽升船機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)問題研宄，武漢：華中科技大學(xué)，2005)中分析了 該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果偏小的原因，一方面是由于荷載規(guī)范規(guī)定的數(shù)值一般均偏于安全，另 一方面該風(fēng)洞試驗(yàn)的模型比例1:140和1:300過小，所測(cè)得的結(jié)果有一定的局限性，對(duì)于三 峽升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)載體型系數(shù)，其借用規(guī)范（GB50009-2001，建筑荷載規(guī)范，北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001)中"封閉式對(duì)立兩個(gè)帶雨蓬的雙坡屋面"的結(jié)構(gòu)形式來確定， 該做法沒有考慮升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)這一 "工況復(fù)雜"的高聳結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載特性的影響；文獻(xiàn) "景洪水電站水力式升船機(jī)塔樓結(jié)構(gòu)性態(tài)分析"（黃光明，凌云，朱金國(guó)，河海大學(xué)（自然科 學(xué)版），2008,07:506~510)中根據(jù)規(guī)范（GB50009-2001，建筑荷載規(guī)范，北京：中國(guó)建筑工 業(yè)出版社，2001)計(jì)算了作用于景洪水力浮動(dòng)式升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載，其塔柱結(jié)構(gòu)的 風(fēng)載體型系數(shù)同樣根據(jù)規(guī)范（GB50009-2001，建筑荷載規(guī)范，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2001)中"封閉式對(duì)立兩個(gè)帶雨蓬的雙坡屋面"結(jié)構(gòu)形式確定，該做法同樣沒有考慮升船機(jī) 塔柱結(jié)構(gòu)這一 "工況復(fù)雜"的高聳結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載特性的影響。
[0005] 綜上所述，對(duì)于升船機(jī)高聳結(jié)構(gòu)，目前尚無相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范可作為設(shè)計(jì)依據(jù)，有必 要對(duì)其進(jìn)行完善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述存在的問題，本發(fā)明公開了一種高聳升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析方 法，具體的技術(shù)方案如下：
[0007] -種高聳升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析方法，包括如下步驟：
[0008] (1)測(cè)定升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的具體尺寸，其中升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的高度為H;
[0009] (2)根據(jù)步驟（1)測(cè)定升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的具體尺寸，建立升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的數(shù)值 風(fēng)洞模型，所述數(shù)值風(fēng)洞模型包括塔柱結(jié)構(gòu)模型和風(fēng)場(chǎng)模型，所述塔柱結(jié)構(gòu)模型的尺寸與 升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的具體尺寸完全相同，所述風(fēng)場(chǎng)模型的尺寸選用：塔柱結(jié)構(gòu)模型迎風(fēng)面為 4H，塔柱結(jié)構(gòu)模型背風(fēng)面為8H，塔柱結(jié)構(gòu)模型風(fēng)向的水平兩側(cè)均為4H，塔柱結(jié)構(gòu)模型上方 為4H;
[0010] (3)選用湍流模型，施加邊界條件，考慮風(fēng)場(chǎng)模型和塔柱結(jié)構(gòu)模型的相互作用，進(jìn) 行數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算，其中，
[0011] 湍流模型的選?。?br>[0012] 采用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型來求解不可壓縮粘性流體N-S方程，其湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散 率e的控制方程如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高聳升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 測(cè)定升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的具體尺寸，其中升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的高度為H; (2) 根據(jù)步驟（1)測(cè)定升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的具體尺寸，建立升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的數(shù)值風(fēng)洞 模型，所述數(shù)值風(fēng)洞模型包括塔柱結(jié)構(gòu)模型和風(fēng)場(chǎng)模型，所述塔柱結(jié)構(gòu)模型的尺寸與升船 機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的具體尺寸完全相同，所述風(fēng)場(chǎng)模型的尺寸選用：塔柱結(jié)構(gòu)模型迎風(fēng)面為4H， 塔柱結(jié)構(gòu)模型背風(fēng)面為細(xì)，塔柱結(jié)構(gòu)模型兩側(cè)均為4H，塔柱結(jié)構(gòu)模型上方為4H; (3) 選用端流模型，施加邊界條件，考慮風(fēng)場(chǎng)模型和塔柱結(jié)構(gòu)模型的相互作用，用 Adina有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算，其中， 端流模型的選取： 采用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型來求解不可壓縮粘性流體N-S方程，其端動(dòng)能k和端動(dòng)能耗散率e的控制方程如下：
其中，Ui(i= 1，2，：3)和Uj(j= 1，2，：3)分別代表順風(fēng)向方向（i、j= 1)、 橫風(fēng)向方向（i、j= 2)和豎直向方向（i、j= 3)上的流體速度分量，u為運(yùn)動(dòng)粘度，t表示 時(shí)間，〇k、0和C,均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，0k、0和C,依次取值〇.〇9、1.44、 1. 92、1. 1 和 1. 3 ; 施加的邊界條件為： 風(fēng)場(chǎng)模型的入口給定速度來流邊界條件，采用指數(shù)率的平均風(fēng)剖面來模擬等效的大氣 邊界層，具體為：
其中，品。是Z=Zi。處的參考風(fēng)速，a是對(duì)應(yīng)于不同地面粗趟度類別的指數(shù)； 風(fēng)場(chǎng)模型的出口不施加邊界條件，保證自由出流； 風(fēng)場(chǎng)模型的頂壁與側(cè)壁面的邊界采用滑移邊界，在風(fēng)場(chǎng)模型的頂壁與側(cè)壁面上法相方 向速度為0 ;風(fēng)場(chǎng)模型的底面采用無滑移壁面，在風(fēng)場(chǎng)模型的底面上所有速度為0 ; 塔柱結(jié)構(gòu)模型底部采用固定約束，所有方向位移為0 ; 風(fēng)場(chǎng)模型和塔柱結(jié)構(gòu)模型的相互作用： 風(fēng)場(chǎng)模型和塔柱結(jié)構(gòu)模型交界處采用流固禪合邊界條件，具體為：
式中，r^-流固禪合面；J、M-分別為流固禪合面上固體的速度和流體的速度； 專、虧一分別為流固禪合面上固體的表面應(yīng)力和流體的表面應(yīng)力；數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算： 在Adina有限元分析軟件中設(shè)定上述公式中各相關(guān)參數(shù)值，其中〇k=〇.〇9,0e= 1. 44,Cie= 1. 92,C2e= 1. 1，c"= 1. 3，曰=0. 16，％=25m/s，空氣密度P= 1. 22化g/ m3,空氣粘性系數(shù)取V= 1. 7394*l〇-中a.s，固體彈性模量E= 2. 5*104MPa，固體密度P= 2500kg/m3,泊松比y= 0. 167,在Adina有限元分析軟件中按照上述內(nèi)容設(shè)定相應(yīng)的邊界 條件，Adina有限元分析軟件運(yùn)行給出數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算結(jié)果。 (4) 根據(jù)步驟（3)的計(jì)算結(jié)果，推求塔柱結(jié)構(gòu)模型各表面的風(fēng)載體型系數(shù)y,，風(fēng)載體 型系數(shù)y,用塔柱結(jié)構(gòu)模型表面上第i點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)CW與該點(diǎn)所屬表面積Ai的乘積 取加權(quán)平均得到，其值為
式中，A為所計(jì)算表面的總面積； (5) 根據(jù)步驟（3)和步驟（4)的結(jié)果，推導(dǎo)升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)公式，升 船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)0(Z)的推導(dǎo)公式為：
式中，ni為結(jié)構(gòu)第一階自振頻率，y,為風(fēng)載體型系數(shù)，g為峰因子，a為地面粗趟指數(shù)， 約(Z)為塔柱結(jié)構(gòu)第一階振型，B(z)為升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)在高度Z處的寬度，；1。為10m高度處 的風(fēng)速，打與亡〇(如2)分別為點(diǎn)Ml和點(diǎn)M2的風(fēng)壓系數(shù)，Rxz(Mi，M2)為Ml,M2兩點(diǎn)的脈 動(dòng)風(fēng)壓互相關(guān)函數(shù)，句Z)與Kz)分別為點(diǎn)Ml和點(diǎn)M2處的平均風(fēng)速，IH1(in) 12為頻響函數(shù)，Sy(n)為脈動(dòng)風(fēng)速功率譜，n為脈動(dòng)風(fēng)頻率，k為地面粗趟系數(shù)，C為衰減系數(shù)，e為自然常數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高聳升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析方法，其特征是所述步驟 (4)中的平均風(fēng)壓系數(shù)Cpi的計(jì)算公式為：
式中，Cpi為第i點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)，P巧某點(diǎn)風(fēng)壓，Pm為靜壓，而是10m高程處的參 考風(fēng)速，P為空氣密度，取1.22化g/m3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高聳升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析方法，其特征是所述風(fēng)場(chǎng) 模型為在塔柱結(jié)構(gòu)模型附近區(qū)域建立離散網(wǎng)格，離散網(wǎng)格的尺寸精細(xì)到足夠捕捉剪切層和 禍流物理現(xiàn)象的特征變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高聳升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析方法，其特征是所述離散 網(wǎng)格的拉伸率小于1. 2,其中，塔柱結(jié)構(gòu)附近的離散網(wǎng)格要達(dá)到能精確地被求解塔柱結(jié)構(gòu)模 型表面邊界層內(nèi)的壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高聳升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析方法，其特征是所述風(fēng)場(chǎng) 模型的離散網(wǎng)格選用六面體形狀的網(wǎng)格。
【專利摘要】一種高聳升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析方法，包括如下步驟：（1）測(cè)定升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的具體尺寸，其中升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的高度為H；（2）建立升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的數(shù)值風(fēng)洞模型，數(shù)值風(fēng)洞模型包括塔柱結(jié)構(gòu)模型和風(fēng)場(chǎng)模型；（3）選用湍流模型，施加邊界條件，考慮風(fēng)場(chǎng)模型和塔柱結(jié)構(gòu)模型的相互作用，進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算；（4）推求塔柱結(jié)構(gòu)模型各表面的風(fēng)載體型系數(shù)；（5）推導(dǎo)升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)公式。本發(fā)明能直接得到升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)，同時(shí)為了方便設(shè)計(jì)人員能按照規(guī)范方法對(duì)升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力計(jì)算，提供了升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)各表面風(fēng)載體型系數(shù)參考取值和升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)的公式推導(dǎo)。
【IPC分類】G06F19-00, G06F17-50
【公開號(hào)】CN104794356
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510209740
【發(fā)明人】郭博文, 趙蘭浩, 李同春
【申請(qǐng)人】河海大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月28日