横向风振对石油化工塔型设备设计的影响.pdf

刘银 卯等横 向风振对石 油化工塔 型设备设计 的影响 2 9 横 向风振对石油化工塔型设备设计 的影响 刘银 卯 闫向刚 河北省石油化工设计院有限公司 石家庄0 5 0 0 6 1 摘要 分析横向风振的发生机理和发生条件，通过对常见的塔型设备计算分析，总结出需要注意横向风 振的塔的几何尺寸；通过某工程实例的计算来研究横向风振对结构的影响程度。 关键 词 风荷载漩涡横向风振临界风速塔 石油化工塔型设备 在风力作用下 ，将 产生两 个方向的振 动。一种 是顺风 向的振动 ，振动 的方 向与风 的流 向一致 ；另一种是横 风 向的振 动，振 动的方 向与风 的流 向垂 直。前一种振 动是 常规设 计的主要 内容 ，后 一种 振 动也 称风诱 发 的振 动 ， 以前在工程界较少予 以重视。 自从美 国华 盛顿州 塔科马海峡大桥 T a c o ma N a r r o w s B r i d g e 因风诱 发的振动被毁之后 ，接着在英美等 国又发 生钢烟 囱剧烈振动与断裂 的事故 。因此诱发振动 的研 究 便 日益受到各 国工程 界的重视 ，而在塔 型设 备设 计时考虑风诱发 的振 动已成为必然趋势。横 风 向 风振对 塔型设备 及其 基础 的设计 影响不 可小 视 ， 根据资料显示 ，在实 际工程 中，也 观测到塔 型设 备有产生横向风振的情况。 1 横 向风振产 生的机理 由流体力学知 识可知 ，当风 以一定 速度绕 圆 柱形的塔型设备流至 A点时 ，速度为 0 ，由伯努利 方程可知该处 压强为最大 ；当风转折 向沿塔 的表 面由 A到 B时 ，速度不断增加 而面压不 断降低 ； 在由 B到 D时，则速度不断减小而压强不断升高。 由于塔表 面存在边 界层 ，层 内质 点的速度从壁 面 为零而向离壁 面方 向逐渐增大 ，直到与层外主流 速度相同。尽 管粘性摩擦力 的影 响使层 内流体速 度降低， 但塔体的前半周依靠与层外主流进行的 动量交换 ，从 主流获得 的能量仍然 可以使层 内流 体的速度不 会降低 。而在塔 的后 半周 ，由于主流 的减速 ，边界层不 能从 主流获得补充 的能量 以改 善层内流体顺粘性摩擦 力引起 的降速 ，结果 导致 边界层不断增厚 ，在塔 体 C处 ，流体完全静 止不 动并逐渐堆积起来 ，压强也为最大。在高压强的作 用下迫使主流绕过堆积起来 的流体 ，脱离塔体表 面朝下游方 向流去 ，形成了边界分离的现象。 c点的下游， 还形成流体的空白区，在逆向压 强梯度的作用下，必然有倒流的流体来补充，倒 流的流体又受 C点高压强 的影响而被推开 ，于是 在塔体 的背 后产 生 了漩 涡 。随着 雷诺 数 的增 大 ， 漩涡脱离塔体 ，漩 涡 的脱 落是交替发 生的 ，先从 塔体的一侧而后再从塔体 的另一 侧 ，脱落 的漩涡 随即被主流 冲走 。随着雷诺 数的进一 步增大，上 述过程进一步加剧。漩涡从两 侧交替脱落是连续 的，于是在尾 流中形成两排漩 涡 ，称 为涡街 或卡 门涡街 。 漩涡脱落会 引起环量 ，从而产生横 向力 作用 在塔体上。漩 涡脱 落具有一定 的频率或周期 ，从 而造成横向动力作 用 ，产生横 风 向振 动，形 成强 迫振动 ，因而横风 向的风力属 于动力荷载 的范畴。 在一般情况下 ，横风 向风力只有顺风向风力的 1 ／ 4 左右 。但是 ，如果涡 流脱 落频 率与塔结构 自振频 率接近时，将产生横风向共振，出现与顺风向同 量级或大得多的响应。漩涡脱落形成见 图 1 。 _ D“ - 图 1 圆柱绕流的漩涡脱落形成示意 2 横风向风荷载共振发生的条件 根据 建筑结构荷载规范G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1 2 0 0 6年版规定 ，对圆形截面的结构 ，应按下列 规定对不同雷诺数 R e的情况进行横风 向风振 漩 刘银卯 高级工程师。1 9 8 6年毕业于河北 工业大学工业与 民用 建筑专 业。从 事设计工作 。联 系电话 0 3 1 1 8 5 1 8 0 3 5 1 ，Ema i l y i n ma o ． L i u p e c h d i ． C O IT L c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m CHEM I CAL E NGI NEER G DEs I GN 涡脱落的校核 1 当 R e3 ． 8 2 5～31 2 ． 6 6 8～7 3 4 ． 0 3 2 ～3 7 2． 8 7 4 ．7 9 4 ． 2 3 8～4 3 3 ． 0 8 0～8 5 4 ． 4 4 4～4 9 3 ． 2 8 6 9 2 4 ． 6 5 0～5 5 3 ． 4 9 39 9 4 ． 8 5 6 ～61 3． 6 当塔体尺寸符合验算横风向风荷载引起共振 效应时 ，由 烟 囱设计规范G B 5 0 0 5 1 2 0 0 2第 5 ． 2 ． 4条验算 ，对于第 1振型横风 向风振 ，当塔顶 端设计风压值 W 满足式 5 时 ，塔基础承载能 力极限状态仍 由顺风向设计风压控制。 埘 ≥ 。／ 5 ／ S1 v 2 c d w I 丽 式中，W n 为设备顶部风压设计值 ； ， 为风振计算 时 ，第一振型结构阻尼 比，按 0 ． 0 3 5取用 ；13 为 设备顶端风振系数，按 建筑结构荷载规范G B 5 0 0 0 92 0 0 1 2 0 0 6版 的规定计算 ；W 刚为对应 第一振型临界风速的设备顶部顺风向基本风压值； v 为第一振型对应的临界风速。 如果塔顶端设计风压值 W 不满足式 5 时， 应按 G B 5 0 0 0 92 0 0 1 2 0 0 6年版 第 7 ． 6 ． 2条、 第7 ． 6 ． 3 条计算横风向风荷载引起的共振效应。 3 横风向风荷载共振计算 下面通过算例来对 比考 虑和不 考虑横 向风振 时塔底部弯矩的差异。 3 ． 1 计算条件 某化工项目装置区塔体尺寸 塔高4 0 m，直径 4 m；基本风压 W 0 0 ． 5 5 k N ／ m ；地面稿 i 糙度 B 类 ；塔体 自振 周期 T 0 ． 7 s 。塔 体立 面 简 图见 图2 。 目 图 2塔体 立面简图 3 ． 2 顺风 向风振时的塔底内力计算 顺风向风振作用时的塔底弯矩计算采用石化 工程构筑物软件包 S C A D V 2 0 0 7 独立塔基 础计 算机辅助设计软件 C T C A D V 2 0 0 7 ，计算结果见 表 2 。 3 ． 3 横风 向风振时的塔底内力 3 ． 3 ． 1 判断是否要考虑横风向风振 1 初步判断 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘银 卯等横 向风振对石 油化 工塔型设备设计 的影 响 3 1 表 2 顺风 向风振作用 时的塔底弯矩及 剪力 塔底 弯矩标 准值 M 塔 底剪力标准值 V 由表 1可知 R e3 ． 5 x 1 0 ，初步判 断需要考 虑横风向风振影响。 2 计算判断 由 G B 5 0 0 0 92 0 0 1第 7 ． 6 ． 15条 的 7 ． 6 ． 1 2 式 ，临界风速 t ， 两 D 2 8 ．6 m／ s 由 7 ． 6 ． 1 3 式 ，结构顶部风速 ／ 2 0 0 0 ． W o ／ 2 0 0 0 x 1 ． 5 6 x0 ． 5 5 一 3 6 ． 5 m／ s ， 1 ． ‘y 。 式中 ，T 。 为结构 自振周期 ；S t 为斯托罗 哈数 ，取 O ． 2 ； 为结构顶部 风压高度变化系数 ；W 。为基 本风压 ，k N ／ m ；P 为空气密度 ，取 1 ． 2 9 k g ／ m 。 。 由以上计算可知 ， 1 ． 2 v H4 3 ． 8 m／ s“ 2 8 ． 6 m／ s 所以塔体结构将发生跨临界的强风，再由 烟 囱设计规范G B 5 0 0 5 1 2 0 0 2 第 5 ． 2 ． 4 条验算 1 -0． 51 1 m／s W h8 4 L i 协o 2 ． 1 61 ． 5 6 X0 ． 60 ． 5 5 1 ． 11 m／s ≯ ， -0． 51 1／ 0 ． 0 4 2 ． 1 6 3． 1 2 m／s 式中，W 为设备 顶端风压设计值 ，k N ／ m ；B b为 设备顶端风振系数 ，按 建筑结构荷载规范 G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1 2 0 0 6版的规定计算； 。 为风荷 载体型系数 ； 为风压高度变化系数 ；W 。为基本 风 压 ，k N ／ i n 。 由于不符合 G B 5 0 0 5 1 2 0 0 2的 5 ． 2 ． 41 式规定 ，应计算横风向风振影响。 3 ． 3 ． 2 横风向风振产生 的塔底内力计算 由规 范 G B 5 0 0 0 92 0 0 1 2 0 0 6年 版 第 7 ． 6 ． 2条 、第 7 ． 6 ． 3条计算 。由于篇幅所 限，校核 横风向风振仅取第一振 型。先确定 临界风速起始 点高度 即锁住区起始点高度H 4 o I 6 2． 7 9 m Hl ／ H 2 ． 7 9 ／ 4 0 0 ． 0 7 式中， 为地 面粗糙度指数 ，对 A、B、C和 D四 类分别取 0 ． 1 2 、0 ． 1 6 、0 ． 2 2和 0 ． 3 0 。 然后确定锁住区终止点高度 H 圳 4 0 ⋯ 44 R m H 40 m 由 H， ／ H0 ． 0 7 ，查取规 范 G B 5 0 0 0 92 0 0 1 2 0 0 6年版 中表 7 ． 6 ． 2 ，得 为 1 ． 5 5 ，计算系 数 入 ， 是对第一振型情况下考虑与共振区分布有关 的计算系数 ，若 临界风速起 点在结构底部 ，终止 点在顶部 ，整个高度为共振 区，它 的效应最严重 ， 则计算系数值也 最大；若 临界风速起点在 结构顶 部 ，不发生共振，不验算横向风振。 H 为考虑横向风振效应区域的起始点高度 ，H 为考虑横向风振效应区域的终止点高度， 本例 H 位 于塔顶部，由规范 G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1 2 0 0 6 年版中 第 7 ． 6 ． 2条的条文说明可直接查表 7 ． 6 ． 2得 值。 跨临界强风共振 的等效风荷载 由 G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1 2 0 0 6年版 第 7 ． 6 ． 2条计算 I A I 口 2 ／ l 2 8 0 ％ 式中， 为在 z 高度处结构的第 j 振型系数，由规范 G B 5 0 0 0 9- 2 0 0 1 2 0 0 6年版附录表 F ． 1 ． 1确定；‘ { 为第 j 振型的阻尼比；对第振型，钢结构取 0 ． 0 1 。 将塔 沿 高 度 分 为 四段 ，见 图 2 。每 段 高 度 1 0 m，从下到上为 I一4段 ，分别计算每段 的横 向 风荷载。 选取第 4段塔横向风荷载进行计算取 z 3 5 m处计算 ，z ／ H3 5 ／ 4 0 0 。 8 7 5 ，查 G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1 2 0 0 6年版 ，附录表 F ． 1 ． 1 得 0 ． 8 4 。 W l l AI I V rq l ／ 1 2 8 0 0 “ 1 1 ． 5 52 8 ． 6 0 ． 8 4 ／ 1 2 8 8 ． 3 2 k N／ m2 第 4段塔横向风荷载折算成沿塔身高度的均布 线荷载 q 4 8 ． 3 23 3 ． 3 k N ／ m 其他塔段荷载计算从略。 再 由各塔段竖 向均布风荷对塔底 取矩 ，得 出 塔底的总弯矩标准值 M。 值 ，也可求出塔底总剪力 标准值 V ，具体数值见表 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 C H E MI C AL E NGI N E E R I NG D E S I G N 化工设 计 2 0 1 2 ， 2 2 4 表 3 横 向风振作用时的塔底弯矩及剪 力 编号 各塔段风荷 q 4， k N／ m q 3， k N／ m q 2， k N／ m q l ， k N／ m 对塔底总的弯矩标准值 M 。 ，k N m 对塔底总剪力标准值 V ，k N 3 3 ． 3 2 O ． 6 8 ． 3 1 ． 6 1 8 2 7 0 6 4 2 3 ． 3 ． 3 两种风向风荷总内力与顺风向风振 的塔底 内力 比较 根据规 范 G B 5 0 0 0 92 0 0 1 2 0 0 6年版 第 7 ． 6 ． 3条 ， 考虑横 向风振效应的风荷载在塔底产生 总的荷载效应计算如下。 塔底总弯矩计算 M 。 M。 ／ 1 8 2 7 0 2 3 0 3 5 2 l 8 5 2 0 k N m 考虑横 向风振效应 的塔 底总弯矩与不考虑横 向风振效应 的塔底总弯矩的比值 M。 ／ M 1 8 5 2 0 ／ 3 03 56． 1。 塔底总剪力计算 1 2 4 2 6 5 4 k N 考虑横向风振效应的塔底总剪力与不 考虑横 向风振效应的塔底总剪力的比值V 。 ／ V 5 ． 3 。 从上式计算 比较可知，当符合发生横 向风振 条件时，考虑横 向风振效应 的塔底 总弯矩要 比常 规计算的弯矩大 6倍，剪力比常规计算的大 5倍， 可见横 向风振对结构 的影响是不容 忽视的 ，不考 虑横向风振影响的计算结果是不安全的。 4结语 1 本文表 1所提供 的数 据的前 提条件 是塔 身为圆形且表 面光滑 ，塔上无附加设备和 附塔 管 线 ，塔周围无干扰气流运动 的其他建构物和设备 。 而石油化工塔绝 大多数塔身 附有 钢梯、平 台、管 线设备 ，有时塔 与塔 的间距 很近 或有联合 平 台 ， 基于这些原因 ，空气 流经塔时 ，涡流脱落 的规律 就受到影响 ，共振现象会 受到一定抑制 ，横 向风 振的作用就会减弱。有时塔与塔之间由于工艺要 求用平台连在一起 ，使 塔的 自振周期改 变，会使 漩涡脱落的频率和塔的自振周期间隔加大，此时 的横向风振 的作用 就很小 了。这也是 以前塔基础 设计未考虑横 风共 振作用 ，但是实际使用也未见 太大异常的原因。 2 我国的石化行业 石油化工塔型设备基 础设计规 范 S H ／ T 3 0 3 01 9 9 7及 以前版本 的规 范 ，对横 向风振 的影 响 是不 考 虑 的。但 在 新 版 石油化工塔型设备基础设计规范S H ／ T 3 0 3 0 2 0 0 9条文说明中对塔的横 向风振的影响有所提及 ， 主要是参考 烟 囱设计规 范 的设 计方法来 考虑 的。 如前所述 ，塔型设 备 由于 多有 附塔设备 的影 响， 所以和烟囱的前提条 件有所不同。但是完全不考 虑横向风振影 响也是 不安全的。对于较重要的塔 型设备 ，附塔设备 较少周 围又比较 空旷，当设 备 外 形 尺 寸 满 足 表 1时 ，应 按 G B 5 0 0 0 92 0 0 1 2 0 0 6年版第 7 ． 6 ． 1 条、G B 5 0 0 5 1 2 0 0 2第 5 ． 2 ． 4 条验算是否要考虑横风向风振的影响，并结合附塔 设备反管线的情况适度考虑横向风振的影响。 参考文献 1 G B 5 0 0 0 92 0 0 1 ，建筑结构荷 载规范 [ S ] ．北京 中国建 筑工业出版社 ，2 0 o 6 ． 2 S H ／ T 3 0 3 0 2 0 0 9 ， 石油化工塔型设备基础设计规范 【 s ] ． 北京 中国石化出版社 ，2 0 0 9 ． 3 刘建 军 ，章 宝 华． 流体 力 学 [ M] ． 北 京北 京 大学 出 版社 ． 4 C B 5 0 0 5 1 2 0 0 2 ，烟囱设计规范 [ s ] ．北京中国计划出 版社，2 0 0 3 ． 5 王肇民．高耸结构设计手册 [ M] ．北京中国建筑工业出 版社 ，1 9 9 5 ． 6 张相庭．工程结构风荷载理论和抗风设计手册 [ M] ．上 海 同济大学 出版社．1 9 8 9 ． 修改 回稿 2 0 1 2 0 72 4 糖 下 期 要 目 钛白粉生产中干燥方法的选择及闪蒸干燥机的应用 大型储罐的天然地基基础沉降计算方法研究与分析 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m