横风向共振对高烟囱爆破倾倒方向的影响.pdf

第2 9 卷第4 期 2 0 1 2 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9N o ．4 D e c ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 4 ．0 0 3 横风向共振对高烟囱爆破倾倒方向的影响半 韩芳8 ⋯，钟冬望8 ’6 ，龚相超8 ’6 武汉科技大学a ．理学院工程力学系；b ．冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室，武汉4 3 0 0 8 1 摘要在顺风向荷载的基础上建立横风向荷载作用下高烟囱爆破倾倒的力学模型，分析了横风荷载对高 烟囱定向爆破倾倒方向的影响，得到爆破倾倒偏转角的计算公式，并以南昌电厂2 1 0m 高烟囱为例进行验 证。计算表明，烟囱共振频带在4 6 级风的风振频率区域，定向爆破倾倒偏转角和风向角 Oo 一3 0o 呈近 似线性关系，随着风向角的增大，偏转角也随之增大，此外，考虑横风共振后倾倒偏转角显著增大，建议在设 计爆破参数时应对横风荷载予以考虑。 关键词横风向共振；高烟囱；定向爆破；风荷载 中图分类号T U 7 4 6 ．5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 x 2 0 1 2 0 4 0 0 1 0 0 4 E 肌c Io fA c r o s s 一耐n dR e ∞胍n c eA c t e do nC o U a p s e D i r e c t i o no fH i g hC h i 砌e yB l a s t i n g 日A Ⅳ死增8 ⋯，脚ⅣGD o 增．叫口愕8 ”，G 0 ⅣG ‰昭．砒∥ a ．D e p a r t m e n to fE n g i n e e r i n gM e c h a n i c s ，S c h o o lo fS c i e n c e ； b ．H u b e iP r o V i n c eK e yL a b o r a t o r yo fS y s t e m sS c i e n c ei nM e t a l l u r 舀c a lP r o c e s s ， W u h a nU n i V e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 8 1 ，C h i n a A b s t m c t n em e c h 蚰i c a lm o d e lo fh i g l lc h i m n e yu n d e ra c m s s ．访n dr e s o n 蚰c ew 踮e s t a b l i s h e db a s e do nt l l e l o a da 1 0 n g - w i n d 。弧ee c to fw i n d1 0 a do nd e n e c t i o n 鲫西eo fh i g I le h i m 如e yd e m o l i t i o nw 鸥d i s c u s s e d ．T h e 虹州ao f d e n e c t i ∞a 蚪ew a so b t a j n e df m m 粕e x 啪p l eo fa2 1 0mh i g hc h i m n e yi nN a T l c h 粕gp o w e rp l 蚰t ．n er e s o n a n c ef r e - q u e n c yb 舡l do fc h i m n e yw a sn om o 坞t l I a nt l l e 阳r l g eo f4 ～6g m d ew i n dv i b m t i o nf k q u e n c y ．T h er e l a t i o n s h i pb e - t w e e nd e n e c t i o n 锄g l e 明dt h ew i n dd i r e c t i o n 0 。～3 0 。 w ∞印p r o x i m a t el i n e 盯，n a m e l yt l l eb l 鹊t i n gd e n e c t i o n 矾一 d ei n c r e 舾e d 衍t 1 1t h el o a dd i r e c t i o n ．F u n h e 珊o r e ，t h ee 丑 e c to fa c r o s s 一埘n dr e s o n 锄c e8 h o u l db et a l ei n t oc o n s i d e m t i o ni nb l 聃t i n gp 猢e t e rd e s i 驴f o rh i 出c h i m n e y ． 1 【e yw o “b a c r o s s w i n dr e s o n 龃c e ；h i g hc h i m n e y ；d i r e c t i o n a lb l 鹊t i n g ；W i n dl o a d 在国家“抓大放小，节能减排”的政策号召下， 被爆破拆除的特大型高耸构筑物 烟囱、水塔等 越 来越多，爆破难度也越来越大，为了保证其定向爆破 的安全实施，需要对各项爆破参数做更为精确严谨 的计算和控制。对于高烟囱这样的圆形截面的高耸 收稿日期2 0 1 2 一0 8 1 8 作者简介韩芳 1 9 8 0 一 ，女，讲师、博士，主要从事工程力学方向 的教学和相关科研工作， E m a i l h n ‰庐2 2 1 6 3 ．c o m 。 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 1 0 8 3 5 8 ；5 1 1 7 4 1 4 7 细长悬臂型柔性结构，由于柔度大，周期长，爆破过 程中风荷载的影响更为显著，因此，研究风荷载对高 烟囱定向倾倒的影响是必要的。目前，文献[ 1 4 ] 对风荷载进行了一定的探讨研究，但多局限于烟囱 顺风向的平均风荷载和脉动风荷载，而没有顾及横 风向的风振响应，实际上高耸烟囱在风力作用下，除 了像一般结构一样受有顺风向风荷载外，还受到由 于漩涡周期性脱落而引起的横风向共振[ 5 。7 ] 。若爆 破瞬间，横风共振和临界风速下顺风向响应的共同 万方数据 第2 9 卷第4 期韩芳，钟冬望，龚相超横风向共振对高烟囱爆破倾倒方向的影响 1 1 作用对烟囱起控制作用，那么仅仅计算顺风向响应 不仅会引起爆破倾倒角度偏差，甚至会造成建筑物 严重后坐、下坐或向预定倾倒方向相反的方向倒塌， 导致爆破失败。因此，对于高耸构筑物的定向爆破， 考虑涡旋脱落的横风向风振计算是必要的。 1 横向风振原理 当风以一定的速度吹向圆柱形物体，平行的气 流在圆柱体背风面的两侧交替形成漩涡，漩涡的出 现与消失引起柱体两侧压力的改变，迫使柱体发生 垂直于风向的横向振动。对圆截面柱体结构，当发 生漩涡脱落时，若脱落频率与结构自振频率相符，将 出现共振，大量试验表明，涡旋脱落频率，与风速口 成正比，与截面的直径D 成反比。 a ～[ 7 o o 图1 横风风振示意图 F i g ． 1 S c h e m a t i cd i a g m mo fa c r o s s - w i n dr e s o n a n c e 漩涡脱落状态取决于雷诺数 惯性力与粘性力之 比 的大小，建筑物绕流场的雷诺数通常由公式R 。 6 90 0 0 徊确定。式中D 为垂直于流速方向物体截面 的直径；秽为计算高度处风速 当倾斜度不大于O ．0 2 时，可近似取2 ／3 结构高度处的风速和直径 。 横风向风振根据雷诺数的大小可以分为3 个不 同阶段①当3 0 0 3 ．5 1 0 6 ，由于t } 。 ％，所以可能发生跨临界范围的一阶横向共振，现在 定量计算予以证明。 3 计算不同风力等级条件下风速和风振频率 详见表l ，表2 ，计算表明，烟囱自振频率为 0 ．2 9 7H z ，其共振频带在4 ～6 级风的风振频率区 域，从4 级风开始，顶部容易发生明显晃动。具体来 说，在i 6 0 一2 l Om 的高度区间，共振频率带位于风 力4 级范围内；在1 1 0 一1 6 0m 的高度区间，共振频 率带位于风力5 级范围内；在6 0 ～1 l Om 的高度区 间，共振频率带位于风力6 级范围内。计算表明，对 于高烟囱这样的圆形截面的高耸细长悬臂型柔性结 构，由于柔度大，周期长，在风荷载作用下极其容易 发生一阶横向共振。 表1 风速平均值 单位m s 。 T a M e1 ’n l ea v e 髓g e 稍n ds p e e d u n i t m s 一1 表2 风振频率f 单位H z T a M e2W i I I dv i b 豫Ⅱ蚰f h q u 蚰呵 m l i t I I z 4 考虑最不利情况，当漩涡脱落引起横风向 共振时，此时高耸筒形构筑物受到的顺风向效应和 横向共振效应的共同引发的组合效应为．s 0 哺，z 高度处所受到的组合效应的等效风荷 载∞’按下式计算 ∞， 肥露阿丽可 √ 常涨 2 锗o ．5 尥贷埔．3 9 2 2 ～、1 28 0 0 0 ．c 1 5 ，、1 6 0 0 ⋯⋯⋯⋯⋯一， 万方数据 第2 9 卷第4 期韩芳，钟冬望，龚相超横风向共振对高烟囱爆破倾倒方向的影响 1 3 0 ．7 3 2k N ／I n 2 5 总风荷载引起的弯矩M ’为 日日 M ’ 产尺。∞’z 出． 产彳[ 2 1 0 一工里二一2 璺产] O ．7 3 2 出 66 4 84 7 2N m 6 考虑横风共振可能产生的烟囱倾倒角度的 误差 △日口，一p a r c t a n型 塑垒 I I G e 一肘’c o s 卢 厶1 a r c t a n 丝 塑旦 l G e M c o s 口 厶J 将各项工程数据代入计算，利用M a t l a b 编制程 序计算倾倒偏转角并对比误差，计算得到，． 6 0 ．5m 4 ，G 9 ．2 1 e 7k N ，厶 6 7 ．1m 4 ，e 6 ．5m ，得 到横风共振对倾倒偏转角度的影响如图3 所示，由 图可见，定向爆破倾倒偏转角日和风向角廖呈近似 线性关系，随着风向角的增大，偏转角也随之增大， 此外，考虑横风共振后倾倒偏转角显著增大。 0 眠 辩 堡 蕊 坚 风向与设计倾倒方向夹角，o 图3 横风共振因素对定向爆破倾倒偏转角的影响 F i g ．3 D i r e c t i o n a lb l a s t i n gd e n e c t i o na n 出eu n d e rt l l e i n n u e n c eo fa c I D s 8 ．w i n dI e s o n a n c e 4 结论 高烟囱因自身柔度大，周期长，在风荷载作用下 极容易发生横风共振，在定向爆破过程中，若横风共 振和临界风速下顺风向响应的共同作用对烟囱起控 制作用，那么考虑涡旋脱落的横风向风振计算是必 要的；以南昌电厂2 1 0m 高烟囱为例计算表明，烟囱 共振频带在4 ～6 级风的风振频率区域，定向爆破倾 倒偏转角和风向角 0 。一3 0 。 呈近似线性关系，随 着风向角的增大，偏转角也随之增大，此外，考虑横 风共振后倾倒偏转角显著增大，为保证高烟囱定向 爆破的安全进行，建议在爆破参数设计时考虑横风 共振影响。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] ‘ [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 8 ] 参考文献 R e 托聆眦鹤 费鸿禄，段宝福．风载对筒形高耸建筑物定向爆破倾 倒过程影响的研究[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 0 1 9 2 ．9 6 ． F E IH o n g l u ，D U A NB a o f u ．S t u d yo nt h ee ＆c to fw i n d p o w e ra c t e do nt l l ec o u 印s i n gp r o c e s so ft u b u l a rt a l lb u i l d - 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5 9 ． U UY a - q i ，U A N GS h u g l l o ．R e s e a r c ho na c r o s s - w i n dr e s o n 锄c ef b rt a l lc h i n m e y [ J ] ．s p e c i a lS t m c t u r e s ，2 0 0 4 ， 2 1 3 5 7 ．5 9 ． i nc h i n e s e 陈海涛．中美标准下的钢烟囱风荷载计算比较[ J ] ．余 热锅炉，2 0 0 9 3 2 8 - 3 3 ． C 既NH a i - t a o ．n ec 伽】p a I i 啪o f w i n dl 傀dhs t e e lc 1 1 i m - n e yb e t w e e nc h i ∞∞a n dU s As 切n d a r d [ J ] ．E 】【h 鲫s t - h e a t B 0 i l e r ，2 0 0 9 3 2 8 3 3 ． i nC I l i n e ∞ 牛春良．烟囱横向风振计算[ J ] ．特种结构，2 0 0 6 ， 2 3 3 6 0 - 6 2 ． N I UC h u n - l i ∞g ．C a l c u l a t i o nf o rc h i m n e yu n d e ra c r o s s 一 试n dr e s o n 觚c e [ J ] ．s p e c i a ls t m c t u r e s ，2 0 0 6 ，2 3 3 6 0 6 2 ． i nC h i n e s e 江见鲸．防灾减灾工程学[ M ] ．北京机械工业出版 社，2 0 0 4 ． J I A N G gJ i 蚰_ j i n g ．D i s 髂t e r r e d u c t i o ne n 西n e 甜n g [ M ] ． B e i j i n g M e c h 锄i c a lI n d u s t r yP r e s s ，2 0 0 3 ． i nC h i n e s e 万方数据