长扁圆形锅炉风荷载试验研究

长扁圆形锅炉风荷载试验研究

山西省漳山发电有限公司计划建设一座170米高的烟雾站。该烟囱外筒类似椭圆,采用钢筋混凝土修筑,烟囱结构平、立面简图见图1所示。由于该烟囱外形较为特殊,风荷载是烟囱的主要设计荷载之一,且长扁圆形的烟囱风载取值规范没有明确的规定1实验模型和实验材料根据本工程烟囱的实际外形特点和受力特点,最终的烟囱风洞试验研究确定采用完全弹性模型试验研究烟囱的风荷载及风致振动情况(图2)。模型试验主要考虑了几何相似、动力相似、来流条件相似等几个主要的相似性条件,且模拟出结构物的质量、阻尼、刚度等特性,由于内筒对风荷载大小没有影响,所以只制作外筒模型。本工程的风洞试验在北京大学环境学院风洞实验室进行的。实验风洞是一座直流吸式低速大气边界层风洞,试验段宽3m,高2m,长32m。由于该风洞的试验段很长,同一般的均匀流风洞所不同的是,该风洞可以在模型的试验位置模拟地面粗糙度的影响,达到所要求的剪切速度剖面和相应的湍流强度,因此可进行边界层基础研究、模拟大气边界层进行建筑风荷载试验研究。1.1湍流检测仪器热线风速仪是用用电流加热的热线(膜)探头置于待测流场某点中,被流体的对流热传递所冷却,不断保持探头的平衡温度不变,检测加热电流与流速的动态对应关系,由于探头丝径为微米量级,动态响应达兆赫量级,因此灵敏度很高,是测量流声脉动速度的重要仪器。该系统具有两台TSI1050-2C和一台Kanomax共5个通道的热线风速仪。仪器的电平噪声小,信噪比强,动态响应频率大于500Hz。根据湍流测量的需要,配备了可测气流、水流以及可测单方向的、多方向速度的各类探头。信号处理软件将脉动电信号分析加工,如平均速度、脉动速度、湍流度、功率谱、互相关等湍流测量所需要的各类结果。边界层、流动分离、涡旋结构等基础性研究。(2)激光测振仪主要功能:非接触式的测振设备,可同时测量速度和位移。技术指标:速度范围:0.3µm/s～10m/s;位移范围:0.01µm～40mm;频率范围:0.5Hz～1.5MHz(速度),DC～250kHz(位移);最大加速度:9600000g;测量距离:65mm～250m;输出电压:±10V(速度),±8V(位移)。1.2模型材料与试验方法按常用的试验缩尺比,模型的厚度比较小,制作模型的材料必须满足一定的密度和刚度要求,其弹性模量既不能太大,也不能太小,否则将难以在合适的风速下进行试验。通过大量的摸索和试验,选择弹性模型的缩尺比为1:130,模型高度130cm。制作模型的材料密度和钢筋混凝土密度相当,弹性模量0.9GPa。为精确反映模型的厚度变化情况,模型的制作时先在水平放置的玻璃板一端抬起一个高度(4.6-2.3=2.3mm),采用配置好的材料倒到该玻璃板上,利用液体材料自动流成水平面的特性,形成一个长度为模型高度130mm,宽度为模型周长的面板,在面板初步凝固后,迅速将其卷曲在一个刚性内胎模上,刚性内胎模的尺寸等于模型的内径,热固好接口,模型就制作成功。采用这一工艺制作的模型同实际情况相符性良好。根据对烟囱的基本动力特性的分析,试验采用测量根部应变的方法来研究烟囱的振动情况。根据对称性原则,在烟囱根部四分之一周长范围内布置了8个应变片,具体位置参见图3。其中1至5号应变片沿轴向布置,测量烟囱根部的轴向应变。6至8号应变片沿环向布置。试验测量了360º范围内烟囱根部的应变情况,以15º一个间隔,共计24个风向角。风向角定义参见图3。试验中采用的风速剖面及湍流脉动速度功率谱见图4和图5。试验中使用Dantec生产的恒温式热线风速仪配合单丝热线探头测量风速剖面,采样时间为10s。而在模型半高度位置进行了较长时间测量,以获得脉动速度功率谱。采用应变片配合日本NEC-Sanei公司的6M72应变仪进行应变测量。该应变仪最高放大倍数为5000倍,为减小温度影响,桥压选择为2V,桥路则选择带有温度补偿片的半桥方式。2试验数据2.1方向的刚度对应变分布的影响烟囱根部的应变是随时间变化的随机量。可将瞬时应变分为平均应变和脉动应变两部分,即:均方根σ根据试验结果的分析,可知本次试验研究获得的数据基本反映了烟囱在风荷载作用下的根部应变特性。由于烟囱根部沿短轴方向的刚度较小,因而此处主要以长轴根部测点为例对烟囱应变特征进行分析。图6分别给出了1号和6号测点,即长轴根部的轴向与环向应变随风向的变化。在270º风向角时,1号和6号测点处于迎风面,轴向产生较大正应变,而环向的则为较大的负应变,90º风向角时应变特征则刚好相反,这与烟囱在风荷载作用下的应变特征是一致的。从图6中可以看到,当长轴根部处于侧风面时,其平均应变和脉动应变都比较小。实际上,由于烟囱关于长轴对称,因而在0º风向角时横向平均风荷载接近0,而脉动风荷载则是由于烟囱两侧的旋涡脱落引起的。据此分析,0º风向角时1号和6号测点的脉动应变值也就比较小,说明烟囱的横向振动并不严重。2.2极值应变计算方法极值应变可以用平均应变和脉动应变之和来表示,即:式中,g为峰值因子。Davenport于1967年给出了峰值因子的计算方法,并在建筑结构的风洞模拟试验中被广泛采用,即:式中,ν为单位时间内,数据穿越平均值的次数;T为根据该式计算得到的极值压力是在T时长内的极值压力。这种计算方法实际上假定了随机过程是稳定的高斯过程,所以严格说来也应该用于高斯过程的计算。虽然烟囱应变的时间序列并不都是高斯过程,但是采用上式得到的极值应变对于工程应用已经是足够精确的,因而试验中也采用该公式进行峰值因子和极值应变的计算,其中T的取值根据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》建筑结构在风荷载作用下的响应是一个随机量。为衡量风速脉动对其响应的影响,通常引入阵风响应因子进行考虑。在通常的设计中,常假设结构的响应是准静态的,此时的阵风响应因子可等同于风振系数。应变的阵风响应因子定义为:风洞试验给出了各测点在所有风向下发生最大极值应变时的阵风响应因子。2.3横向振动比较试验表明,烟囱在风荷载作用下基本以一阶振型为主。而当短轴为迎风面时,相比较来说烟囱的横向振动要较为显著,反映在振动频谱上,也就相应地出现了较多其它频率。图7和图8给出了1号测点在0º和105º(最大极值负应变对应的风向角)的应变时程曲线