自立式钢烟囱抗涡振设计及程序编制

杨洋 高非 曾青 曹险峰

摘要：圆截面高耸结构易引起涡振，本文总结了自立式钢烟囱的抗涡振设计方法，指出了不同雷诺数情况下，钢烟囱的控制工况，并对其结构及荷载进行了归纳，实现了自立式钢烟囱的参数化设计，并编制了专用的设计程序，为今后的设计提供了工具和参考。

关键词：自立式钢烟囱；涡振；参数化设计

Abstract: circular cross section tower structure easy cause vortex vibration, this paper summarizes the free-standing steel chimney vibration resistance of the vortex design method, and points out that the different Reynolds number, the control condition steel chimney, and its structure and load were summarized, realize the free-standing steel chimney parametric design, and prepare the special design program for future design provides tools and reference.

Keywords: free-standing steel chimney; Vortex vibration; Parametric design

中图分类号： TU233 文献标识码：A 文章编号：

0 前言

圆形截面的结构在工业建筑中，最常见的就是烟囱。当风以一定的速度吹向烟囱，特别是吹向刚度较小的自立式钢烟囱时，平行的气流在钢烟囱的两侧交替形成旋涡，旋涡的出现与消失引起结构两侧压力的改变（如图1所示），迫使钢烟囱发生垂直于风向的横向振动，由于其形成于背风面涡流有规律地脱落，横风向的振动又称涡振。涡振是钢烟囱结构经常需要面对的问题，如果处理不当，涡振引起钢烟囱结构共振，将导致烟囱失稳，甚至毁灭性的破坏。

图1涡流脱落示意图

为了避免或减轻涡振，关键就是钢烟囱结构自振周期的控制，而目前规范提供的公式无法准确计算结构自振周期。本文继承前人的研究成果，将有限元分析方法应用于钢结构烟囱的设计，并归纳得出钢结构烟囱抗涡振设计的要点，进而进行结构参数化，并编制相关程序，进而辅助工程设计。

1 抗涡振设计方法

1.1 计算方法总结

针对涡振，《建筑结构荷载规范》（2006年版）（GB50009-2001）及《烟囱设计规范》（GB50051-2002）都有论述。

虽然规范确定了计算方法，但使用起来仍然不方便。事实上，荷载规范在计算涡振时，没有明确“锁住区”的作用；而烟囱规范在考虑“锁住区”的作用时，又没有统一判断指标，例如5.2.4-1式，即本文的（1）式，是用风压来判断“锁住区”大小的，而5.2.5-1式，即本文的（2）式，是用风速来判断“锁住区”作用的。本文结合规范进行推导，合理化统一判断指标，将设计方法及步骤归纳如下：

（1）

（2）

（1）第一步，求自振周期

进行模态分析，考虑内衬及烟道孔洞对周期的影响，其中内衬在实际使用中经常发生破坏，因此需考虑其自重的作用，而不应考虑其对刚度的作用，即使考虑，也必须再计算不考虑内衬刚度的情况。读取1~4阶振型的周期。

（2）第二步，计算雷诺数

根据不同的振型，计算雷诺数的大小。涡流的产生与烟囱的外形尺寸、风速等因素有关，综合反映在雷诺数Re。根据雷诺数判断结构可能发生哪种类型的风振。

① 当雷诺数<3X105时，结构发生亚临界的微风共振。此时，结构设计中应从构造上，采取防振措施，或加强结构刚度，使临界风速不小于15m/s；

② 当雷诺数在3X10 5~3.5X10 6时，结构发生超临界的风振，振动没有规律，不会发生共振；

③ 当雷诺数>=3.5X10 6时，结构可能发生跨临界的强风共振。

（3）第三步，计算烟囱顶部风速

通过计算顶部风速和结构在不同振型下的临界风速，判断结构是否可能发生强风共振。

① 当VH<（1/1.2）Vcr时，结构顶部的风速达不到结构振动所需的扰力，结构不会发生共振；

② 当VH>=（1/1.2）Vcr时，结构将发生共振。

（4）第四步，计算风振的效应

计算横向风振效应，并与顺风效应组合。

① 当VH>=Vcr（400+βh2）1/4时，由于设计风速时，锁住区的起点高度和终点高度均很小，因此强风共振区非常短，而小于设计风速时，组合效应值又小于顺风向的设计值，所以不考虑横向风振作用；

② 当1.3 Vcr <=VH

③ 当1/1.2Vcr<=VH<1.3 Vcr时，烟囱的锁住区在烟囱结构上半段，此时验算横向风振作用的起点高度为：H1=H/（VH / Vcr）1/a。

2 结构参数化

通过前文对多个钢烟囱的分析，可将其结构参数归纳为：外形参数、细部参数、荷载参数。具体的参数按照表1的格式存储。将烟囱分段，变截面处、有环向加劲的位置均为分段点，各分段点输入半径和壁厚，从而建立起烟囱的整体模型。最终，实际工程被完整地参数化。

3程序设计

3.1 程序原理

程序流程如图2所示，用户在UI界面上输入、查询、修改数据后，经过参数合理性检验，被程序编译为通用有限元软件ANSYS能够识别的宏命令文件。ANSYS按照宏命令文件执行，最终生成ANSYS数据库和文本计算书。程序数据流如图3所示。

使用Visal Basic开发UI界面，完成以下功能：

（1）结构参数的输入。检验输入数据合理性、按项目名称将结构参数存储到Access数据库。

（2）提供项目查询。通过项目名称查询项目，自动在结构参数界面读入被查询的项目的详细数据，可以修改并保存为新的项目。

（2）生成接口文件 *.mac 。

（3）启动Ansys程序。通过Shell自动读入*.mac进行计算。

其中mac宏命令完成以下功能：

（1）完成结构建模、计算、读取结果数据。

（2）输出简要计算书。

3.2 程序假定及简化

为方便程序设计，计算中采取了一些简化处理措施，包括如下几点：

（1）风荷载的方向，只从0度、45度、90度三个方向吹入；

（2）脉动影响系数取大值，A，B，C，D类分别为0.89，0.90，0.93，1.01；

（3）地震力按分段分别计算，并施加在每段上部；

（4）横向风振效应计算考虑前四阶振型。