[发明专利]一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法

摘要

一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法，包括如下步骤（1）测定升船机塔柱结构的具体尺寸，其中升船机塔柱结构的高度为H；（2）建立升船机塔柱结构的数值风洞模型，数值风洞模型包括塔柱结构模型和风场模型；（3）选用湍流模型，施加边界条件，考虑风场模型和塔柱结构模型的相互作用，进行数值风洞计算；（4）推求塔柱结构模型各表面的风载体型系数；（5）推导升船机塔柱结构的顺风向风振系数公式。本发明能直接得到升船机塔柱结构在风荷载作用下的响应，同时为了方便设计人员能按照规范方法对升船机塔柱结构进行受力计算，提供了升船机塔柱结构各表面风载体型系数参考取值和升船机塔柱结构顺风向风振系数的公式推导。

主权项

一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法，其特征在于包括如下步骤：(1)测定升船机塔柱结构的具体尺寸，其中升船机塔柱结构的高度为H；(2)根据步骤(1)测定升船机塔柱结构的具体尺寸，建立升船机塔柱结构的数值风洞模型，所述数值风洞模型包括塔柱结构模型和风场模型，所述塔柱结构模型的尺寸与升船机塔柱结构的具体尺寸完全相同，所述风场模型的尺寸选用：塔柱结构模型迎风面为4H，塔柱结构模型背风面为8H，塔柱结构模型两侧均为4H，塔柱结构模型上方为4H；(3)选用湍流模型，施加边界条件，考虑风场模型和塔柱结构模型的相互作用，用Adina有限元分析软件进行数值风洞计算，其中，湍流模型的选取：采用标准k‑ε模型来求解不可压缩粘性流体N‑S方程，其湍动能k和湍动能耗散率ε的控制方程如下：∂k∂t+ui∂k∂xi=∂∂xj[(υ+υtσk)∂k∂xj]+υt(∂ui∂xj+∂uj∂xi)∂ui∂xj-ϵ]]>∂ϵ∂t+ui∂ϵ∂xi=∂∂xj[(υ+υtσϵ)∂ϵ∂xj]+C1ϵϵkυt(∂ui∂xj+∂uj∂xi)∂ui∂xj-C2ϵϵ2k]]>其中，ui和uj分别代表顺风向方向(i、j＝1)、横风向方向(i、j＝2)和竖直向方向(i、j＝3)上的流体速度分量，υ为运动粘度，t表示时间，σk、σε、C1ε、C2ε和Cμ均为经验常数，σk、σε、C1ε、C2ε和Cμ依次取值0.09、1.44、1.92、1.1和1.3；施加的边界条件为：风场模型的入口给定速度来流边界条件，采用指数率的平均风剖面来模拟等效的大气边界层，具体为：u‾(z)u‾10=(zz10)α]]>其中，是z＝z10处的参考风速，α是对应于不同地面粗糙度类别的指数；风场模型的出口不施加边界条件，保证自由出流；风场模型的顶壁与侧壁面的边界采用滑移边界，在风场模型的顶壁与侧壁面上法相方向速度为0；风场模型的底面采用无滑移壁面，在风场模型的底面上所有速度为0；塔柱结构模型底部采用固定约束，所有方向位移为0；风场模型和塔柱结构模型的相互作用：风场模型和塔柱结构模型交界处采用流固耦合边界条件，具体为：δ·‾=u‾ts‾=tf‾onΓfs]]>式中，Γfs—流固耦合面；—分别为流固耦合面上固体的速度和流体的速度；—分别为流固耦合面上固体的表面应力和流体的表面应力；数值风洞计算：在Adina有限元分析软件中设定上述公式中各相关参数值，其中σk＝0.09，σε＝1.44，C1ε＝1.92，C2ε＝1.1，Cμ＝1.3，α＝0.16，空气密度ρ＝1.225kg/m3，空气粘性系数取ν＝1.7394*10‑5Pa.s，固体弹性模量E＝2.5*104MPa，固体密度ρ＝2500kg/m3，泊松比μ＝0.167，在Adina有限元分析软件中按照上述内容设定相应的边界条件，Adina有限元分析软件运行给出数值风洞计算结果；(4)根据步骤(3)的计算结果，推求塔柱结构模型各表面的风载体型系数μs，风载体型系数μs用塔柱结构模型表面上第i点的平均风压系数Cpi与该点所属表面积Ai的乘积取加权平均得到，其值为μs=ΣiCpiAiA]]>式中，A为所计算表面的总面积；(5)根据步骤(3)和步骤(4)的结果，推导升船机塔柱结构的顺风向风振系数公式，升船机塔柱结构顺风向风振系数β(z)的推导公式为：∫0∞Rxz(M1,M2)Sv(n)|H1(in)|2dxdx′dzdz′dn]12]]>|H1(in)|2=1(2πn1)4{[1-(nn1)2]+(2ζ1nn1)2}]]>Sv(n)=v‾102n4k(1200nv‾10)2[1+(1200nv‾10)2]43]]>Rxz(M1,M2)＝e‑cc=-n[162(x-x′)2+102(z-z′)2]12[v‾(z)+v‾(z′)]]]>式中，n1为结构第一阶自振频率，μs为风载体型系数，g为峰因子，a为地面粗糙指数，为塔柱结构第一阶振型，B(z)为升船机塔柱结构在高度z处的宽度，为10m高度处的风速，与分别为点M1和点M2的风压系数，Rxz(M1,M2)为M1，M2两点的脉动风压互相关函数，与分别为点M1和点M2处的平均风速，|H1(in)|2为频响函数，Sv(n)为脉动风速功率谱，n为脉动风频率，k为地面粗糙系数，c为衰减系数，e为自然常数。