动网格模拟风振对超大瘦高型冷却塔风荷载的影响

利用Fluent软件对超大瘦高型冷却塔的风荷载进行了CFD数值模拟,获得冷却塔外表面的三维流场特性和风压系数分布曲线,并与规范数据进行比较,以验证数值模拟的准确性;利用CFD动网格研究风振条件下冷却塔内外壁的风压分布。结果表明:考虑风振特性后,冷却塔外壁风压呈现增大的趋势,最大负压位置即流动分离点在考虑风振时产生了滞后;对于本文研究的上下开口结构而言,在考虑风振作用后内部风压系数的绝对值整体偏大,且内部高压区的位置发生了变化;不考虑风振时内部风压高压区发生在接近塔底的区域,而考虑风振特性后,内部风压高压区发生在接近塔顶的区域。这说明风振在一定程度上改变了冷却塔内部风压的分布。     

基于风压分布特性的折叠网壳结构形状优化研究

针对风敏感结构折叠网壳存在抗风不利区域和风压梯度变化较大的力学行为,为优化其在风荷载作用下的表面风压分布,降低结构的风致响应,基于流体动力学基本原理和大气边界层基本理论,运用Fluent软件对折叠网壳结构风压分布进行数值模拟的基础性研究,对比风洞试验结果,确定复杂体型结构数值模拟的计算域尺寸、计算域离散和湍流模型等关键参数的选取。在此基础上对8种折叠网壳结构形状优化方案进行分析,得到其分区体型系数和体型系数的标准差,对比结构初始形态表面风压,最终得到具有良好抗风性能的最优方案,化解了结构的不利风压分布。结果表明,CFD数值分析技术能够有效地解决风敏感结构在风荷载作用下的形状优化问题,为结构体型优化和研发新型野营房屋提供了一个设计方法和理论依据。     

基于风压分布特性的折叠网壳结构形状优化研究Folding reticulated shell structure shape optimization based on wind pressure distribution characteristics

针对风敏感结构折叠网壳存在抗风不利区域和风压梯度变化较大的力学行为,为优化其在风荷载作用下的表面风压分布,降低结构的风致响应,基于流体动力学基本原理和大气边界层基本理论,运用Fluent软件对折叠网壳结构风压分布进行数值模拟的基础性研究,对比风洞试验结果,确定复杂体型结构数值模拟的计算域尺寸、计算域离散和湍流模型等关键参数的选取。在此基础上对8种折叠网壳结构形状优化方案进行分析,得到其分区体型系数和体型系数的标准差,对比结构初始形态表面风压,最终得到具有良好抗风性能的最优方案,化解了结构的不利风压分布。结果表明,C FD数值分析技术能够有效地解决风敏感结构在风荷载作用下的形状优化问题,为结构体型优化和研发新型野营房屋提供了一个设计方法和理论依据。     

高耸结构的耦联阵风响应

在考虑气固耦联作用基础上研究了高耸细长结构和高耸双曲冷却塔的阵风响应:对前者应用Morison分析法确定风压,导出了适于工程应用的耦联风振系数计算式,通过与Davenport非耦联线性风振理论比较发现耦联作用对其阵风响应的影响不容忽视;对后者应用势流理论导出了塔壳广义振动微分方程中体现气固耦联作用的参量的计算式,并根据量级分析和实例计算表明耦联作用对其阵风响应影响很小,从而为冷却塔塔壳抗风设计和研究提供了可不考虑气固耦联作用的依据。     

大型冷却塔的风致振动响应数值分析

风荷载是大型冷却塔建筑设计的主要荷载之一,通过风振时域分析可以全面地了解塔身的风振响应特性。本文探讨了采用线性滤波法中的自回归模型(auto-regressive,AR)模拟大型冷却塔风致振动响应的数值方法。首先根据AR模型,基于随机模拟方法,计算冷却塔表面不同高度的随机脉动风压。通过将随机脉动风压和平均风压作为冷却塔表面的外载,采用有限元分析软件计算某冷却塔的风致振动响应。结果表明,基于随机脉动风荷载模拟的数值计算方法,能正确反映冷却塔塔身的风振响应。该方法特别适用于冷却塔高度超出规范要求的情况下,评估冷却塔的风振响应。     

大型双曲冷却塔支柱结构选型研究

系统地研究了不同支柱类型对冷却塔结构和稳定性能的影响,支柱选型按照等高和等体积的原则,采用矩形和圆形两种不同支柱截面类型,同时考虑X型、人字型、V字型、I型四种支柱类型,分析其对冷却塔结构动力特性、承载性能、稳定性的影响。结果表明:改变支柱截面对冷却塔的整体结构特性影响甚微;改变支柱类型对结构基频、抗风承载能力、稳定性能的影响不能忽略。建议在冷却塔支柱截面设计时可优先选择圆形截面,在支柱类型设计时可优先选择采用人字型支柱。     

加劲环和加劲肋对冷却塔动力特性的影响

为提高冷却塔的自振频率和抗风性能,以某大型冷却塔为例,通过增设环向加劲环或子午向加劲肋,分析了各自的尺寸、位置、数量等参数对动力特性的影响.冷却塔的动力特性主要受环向刚度控制,在适当的位置布置加劲环可以有效提高结构的频率,而子午向加劲肋则无此效果.加劲环对结构频率的提高源自结构整体振型所激发的加劲环刚度参与程度,加劲环的模态变形幅值越大,环向谐波越多,其参与度就越高,对结构频率的提高效果也越明显.实际应用中,可在塔筒中部等间距布置3～5道加劲环,这样就可以使结构频率有显著提高.     

加劲环和加劲肋对冷却塔动力特性的影响简

为提高冷却塔的自振频率和抗风性能,以某大型冷却塔为例,通过增设环向加劲环或子午向加劲肋,分析了各自的尺寸、位置、数量等参数对动力特性的影响. 冷却塔的动力特性主要受环向刚度控制,在适当的位置布置加劲环可以有效提高结构的频率,而子午向加劲肋则无此效果. 加劲环对结构频率的提高源自结构整体振型所激发的加劲环刚度参与程度,加劲环的模态变形幅值越大,环向谐波越多,其参与度就越高,对结构频率的提高效果也越明显. 实际应用中,可在塔筒中部等间距布置3~5 道加劲环,这样就可以使结构频率有显著提高.     

双曲冷却塔与土壤相互作用时的随机阵风响应

本文在文[6]的基础上,应用随机振动的谱分析法和全尺寸风压的实测数据,分析了双曲冷却塔壳-支承系统-基础-无限域土壤这一完整系统的随机阵风响应,得到壳体和环形基础的阵风响应因子。文中考虑了不同类型的土壤和风压相关性等因素对阵风响应因子的影响,并给出数值计算结果。     

杭州大剧院风压分布的风洞试验研究

杭州大剧院外观造型新颖独特，由一个近似为椭球的双曲面屋盖和一个倒置的圆锥面玻璃幕墙相交形成大剧院的主体建筑的外轮廓．本文结合该主体结构的抗风设计要求，制作了1：200刚性模型进行结构表面脉动风压平均风压分布的风洞试验研究，详细介绍了风洞试验及数据处理方法，讨论了在不同风向角下椭球面屋盖和圆锥面玻璃幕墙的风压分布．为了便于整体结构设计，本文根据结构的实际情况对椭球面和圆锥面进行分块并给出相应的分块风压数据，最后根据各风向角下的风压分布特征给出了整体结构抗风设计的最不利风向角．     

三种典型子午线型大型冷却塔风致响应分析

为研究大型双曲冷却塔不同子午线型对其在风荷载作用下强度和稳定的影响,根据某实际工程建立有限元模型,分析了不同子午线型对冷却塔动力特性的影响,比较了规范静风载荷作用下不同线型冷却塔塔筒和支柱风致响应的差异,探讨了线型变化对冷却塔稳定性的影响.结果表明:子午线型的优化在冷却塔结构设计中是十分必要的, "矮胖"型冷却塔基频更高,但其抗风承载性能和稳定性比"高瘦"型塔弱,风致内力和位移响应也较大.     

复杂高耸结构风振响应研究

本文提出了基于高频动态测力天平试验的风振响应的频域分析方法,采用该方法可以用来求解复杂高耸结构的三维耦联风振响应,并给出了利用高频动态测力天平试验来确定广义模态力谱的计算方法.该方法利用高频动态测力天平试验得到的基底剪力自谱、基底弯矩自谱以及基底剪力与弯矩的互谱与脉动风荷载的自谱密度的相互关系并通过引入振型修正系数来求得广义模态力谱,求解结构的三维耦联风振响应.然后,采用本文方法对在建的河南省广播电视发射塔的风振响应进行了研究,结果表明横风向的位移和加速度响应的均方根值要大于顺风向,因此在计算中必须考虑横风向风振的影响.最后本文对计算振型数目和模态耦联项对结构风振响应的影响进行了分析.本文的方法对于求解复杂高耸结构的风振响应具有重要的借鉴意义.     

带TLD结构基于Davenport谱随机风振响应分析和风荷载取值的复模态法

对带TLD控制系统的高层建筑随机风振响应和等效静态设计风载取值问题进行了系统研究。针对主体结构用第一振型展开所得方程为非经典阻尼和非对称结构运动方程,用复模态理论解耦,并利用随机振动理论获得结构风振响应解析式,建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系随机风振响应的解析解,获得了带TLD结构基于现行规范Davenport谱随机风振响应和等效静态设计风载的解析解,并给出算例,从而建立了非经典阻尼非对称被动控制结构基于Davenport谱随机风振响应和风载取值的一般解析方法。由于获得解析解,故本文方法可用于带TMD、TLD等结构基于动力可靠度约束的抗风优化设计。此外,由于建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,利用等效单自由度体系与抗震反应谱的关系,本文方法还可用于非经典阻尼非对称被动控制结构基于抗震反应谱的地震作用取值。     

连体构架避雷针风振计算的简化方法

为简化构架避雷针风振时域计算从而有效降低计算耗时,以单跨和三跨构架避雷针结构为例,根据构架体系的结构特性和风振特点,提出一种简化计算方法,即对每个塔架单独建模并考虑结构刚度和质量系统的一致性和横梁荷载的等效加载,从而对每个塔架单独进行动力计算,并对这种简化方法的合理性进行了验证.研究发现,构架避雷针的频率较小,风振效应...     

模态加速度法在屋盖结构风致响应分析中的应用

对大跨屋盖结构应用模态加速度法新的表达式改进风致响应计算。推导了结构风致响应分析的模态加速度方法。对一平顶屋盖刚体模型进行了风洞试验，考虑到随机风荷载的空间相关性，试验中利用同步测量的脉动风压和结构模态获得随时间变化的广义力。对屋盖均方根响应进行了讨论，说明了本文所提方法的有效性。     

Ritz-POD法的原理及应用

提出一种在频域内分析大跨度屋盖结构的风振响应的Ritz-POD法。该方法用本征正交分解法(POD法)分解脉动风压场,得到占优的前几阶本征模态作为荷载的空间分布形式;根据此荷载空间分布形式生成Ritz向量,用Ritz向量直接叠加法分析结构风振响应,以解决大跨度屋盖结构多振型参与振动且高阶振型对结构响应贡献可能较大这一问题。运用该方法分析一单层球面网壳的风振响应,并与振型分解法对比,结果表明Ritz-POD法仅用少量的Ritz向量进行结构风振响应分析便可达到较高精度。     

Buckling of cooling tower shells with ring-stiffeners

With the stability analysis of hyperbolic cooling tower shells with ring-stiffeners, our paper proposes the linear pre-buckling consistent theory. The numerical result shows that this linear analysis method is very effective and practical in engineering, for its precision of computation is up to the level of the nonlinear analysis when it is used for the study of critical loads of the hyperbolic cooling tower which is mainly governed by wind pressure and for the study of the effect of some other factors concerned in design on the buckling of shells. Based on that, we have obtained a series of conclusions which will greatly benefits the engineering design when discussing the effect on the critical wind loading of the shell which is caused by the following factors such as the position of rings, the number of rings and the dead weight.     

带支撑广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析

工程中粘弹性阻尼器的安装通过支撑与结构进行连接,但在安装粘弹性阻尼器的耗能结构随机响应分析中,为了简化计算过程,将支撑的刚度看作无穷大或者忽略支撑刚度的影响。实际上,对支撑刚度的影响加以考虑更能符合工程实际。针对考虑支撑刚度影响的粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析过程复杂的问题,提出了一种求解考虑支撑影响的广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构基于Davenport谱风振响应的简明解析解法。在广义Maxwell粘弹性阻尼器微分型本构模型基础上,给出了考虑支撑刚度的粘弹性阻尼器等效本构关系。将粘弹性阻尼器等效本构关系与结构运动方程联立,采用复模态法将其解耦,获得结构风振响应的统一表达式。将耗能结构在Davenport风速谱下的系列响应功率谱密度函数分解为频域响应函数与Davenport功率谱密度函数的乘积形式,基于随机振动理论中谱矩的定义,对响应功率谱密度函数积分后获得无积分项的系列响应谱矩表达式。在算例中通过与虚拟激励法计算结果对比,验证了所提解法的准确性,并分析了支撑刚度在耗能系统中的影响。     

后临界湍流区间内旋转薄壳结构振动演化与作用机制实测研究

载荷的时变特征可能会对结构振动强度和能量作用机理产生重要影响,火/核电厂最重要的大型建筑结构均为典型的旋转薄壳结构(如冷却塔、烟囱等).为揭示后临界湍流区间内旋转薄壳结构的振动演化特征及其作用机制,实测了后临界雷诺数($Re\ge $3.5$\times $10$^{6}$)条件下8座典型旋转薄壳结构的振动响应.首先,在对实测响应进行降噪滤波处理后进行了不同时距的信号非平稳识别,基于非平稳分析模型对响应的时变均值和极值估计进行研究,并基于多尺度小波变换的演化谱方法开展了响应的频域演变特性研究.在此基础上,探讨了结构风振响应的共振分量占比及其效应,识别了结构的自振频率和阻尼比,并以结构基频为划分依据分别讨论了不同旋转薄壳结构的阻尼作用机制.研究结果表明:(1)旋转薄壳结构在后临界湍流区间内风致振动响应表现为强度非平稳、频率平稳的演化特性;(2)后临界湍流区间内的旋转薄壳结构的风振问题应区分准静力作用点与共振激发点分别进行研究,不同共振激发点的功率谱分布形式较为相近,而准静力作用点的功率谱分布规律差异较大;(3)共振激发点的振动能量分布呈现明显的分段趋势,基于本文大量实测分析结果回归得出适用于共振激发点的三阶段共振谱表达式;(4)借助本文提出的等效阻尼比概念拟合出此类结构的阻尼比预测公式,论证了目前工程中通用的5%阻尼比取值的不合理性.