大型储气罐风洞试验研究.pdf

第27卷第4期
华中科技大学学报(城市科学版
2010年12月
J. of HUST. (Urban Science Edition
Dec.2010
大型储气罐风洞试验研究
陈寅,梁枢果2,杨彪
1.中南电力设计院,湖北武汉430071;2.武汉大学土木建筑工程学院,湖北武汉430072)
摘要:根据某大型储气罐多点同步测压风洞试验数据,分析储气罐表面风压分布情况,并将不同高度处平均
风压系数值与规范值进行对比,得出荷载规范所对应值直接用于此类特殊结构将偏于保守的结论;根据随机振
动理论,计算出储气罐在脉动风荷载作用下的均方根内力响应值以及均方根位移响应值,并在此基础上对储气
罐的计算参与模态的频率范围进行了初步的探讨,可知频率大于3.910Hz的模态对均方根内力响应值以及均
方根位移响应值的贡献基本可忽略不计,同时还发现对于大型储气罐这种特殊结构某几儿阶频率对响应贡献值
相对来说比较大,因此在此类结构响应计算时应特别注意;对该大型储气罐风洞试验数据分析、探讨所得上述
结论为将来类似的工程结构进行风致响应的精确计算提供更为准确的参考。
关键词:大型储气罐;风洞试验;表面风压;参与模态频率;风致响应
中图分类号:TU312文献标识码:A文章编号:1672-7037(2010)04-005306
大型储气罐体型为圆柱体,属于大型特殊钢罐刚性模型测压风洞试验即在此试验段进行。大
结构。我国现行建筑结构荷载规范中的风荷载条型储气罐测压模型由有机玻璃制成,几何缩尺比
文不能涵盖大型储气罐这类特殊工业结构,为保为1:150。模型共布置370个测压点,其中,圆柱
证大型储气罐结构的抗风安全性、适用性和可靠体立面布置240个测点,屋盖布置130个测点。
性,提高其抗风设计的科学性、经济性和合理性,试验分两次同步测压。为了测量风洞试验参考高
通过风洞试验确定其结构上的平均风压与脉动风度处风速,在模型左前方处安装了风速管,其安装
压,进而分析、计算其在风荷载作用下的静、动态高度为0.6m,与模型测压同步测量此处的风速
响应,评价其抗风性能是完全必要的。基于线性本次试验采用3个扫描阀分2次分别同时测量,
体系随机振动理论的频域分析方法是结构风振响依次对所有测压点的压力信号进行扫描。脉动压
应分析的首选方法。由于该储气罐各阶固有频率力的采样时间为13.1s,每个测点的釆样频率为
分布密集、振动模态复杂,因此,运用频域法进行313Hz,试验风速为8.02m/s。风洞中的测压模
风振响应分析时,如何合理地选取参与计算的模型、风剖面、风速谱与风向角如图1~图4所示。
态数或确定参与模态的频率范围成为必须首先解
决的问题。本文以某实际大型储气罐工程为背
景,根据风洞试验表面风压测量所得数据,详细讨
论了风压分布情况以及其与建筑荷载规范的对比
情况,同时对储气罐的计算参与模态的频率范围
和简体风致位移响应进行了初步的探讨。
1工程简介
图1模型在风洞中的相片
试验模型
1.2风场的模拟
本试验在广东省建筑科学研究院风洞试验室
在本次风洞试验中,采用档板、尖塔、粗糙元
中进行。其工作转盘直径为2.5m,采用档板、尖等装置来模拟大气边界层风场。大型储气罐所处
塔、粗糙元装置模拟大气边界层风场。大型储气地貌属于我国建筑结构荷載规范中的B类地貌,
收稿目期:20100928修回日期:2010-10-21
作者简介:陈寅(1981-),男,江西南昌人,博士,研究方向为结构抗风(Email:radcon1981@163.com)
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华中科技大学学报(城市科学版)
2010年
In/Co
结构某点的平均风压系数为:
0.9
0.8
0.7.:.
式中,为该测点的平均风压;ツ为测点j高度处
平均风速。这样,根据试验风场风剖面换算得到
0.6
测点j的平均风压系数可表示为
0.5
0.4
2)
0.3
0.2F……“÷
均方根风压系数可表示为
0.1……
(3)
图2风剖面及紊流度剖面
式中,为参考点高度的参考风压,本次试验为
0.6m高处平均风压;ん为测点j处高度;r为j
测点的均方根风压。
0
2.2储气罐平均风压系数分布
岩
由于该结构为回转对称结构,以0°风向角为
01
例说明平均风系数的分布特性。其平均风压系数
试验风速谱
的分布规律大致为:储气罐侧壁的平均风压在迎
Vonkarman谱
风面为正,随着风绕过储气罐时出现分离现象,其
1E-3
0,01
0.1
100
側面与背面的风压均为负值。储气罐顶盖的风压
nz/U
以负压为主,0°风向角平均风压系数分布如图5。
图3归一化风速功率谱
270
度
180度
90度
图4风场各风向角
故所模拟风场的风剖面地面粗糙度指数Q=
0.16。近地湍流度s≈20%。几何缩尺比为1:
150。
2储气罐表面风压特性
图50°风向角平均风系数分布
由上图可看出:储气罐表面压力分布表现为
2.1试验数据处理
两侧对称分布;简体迎风面从风压系数为正值处
2.1.1测点风压时程
直到负值为-0.7处附近,其风压系数沿高度变
大型储气罐测压模型上的各测点风压时程可化不大,等压线基本为一条直线;同时在此范围内
直接测量得到,各测点读数的单位为kPa,另外参等压线非常密集,其平均风压系数随角度的变化
考点风速时程同时同步单独测量。
非常大;筒体最大负的风压系数出现在60左右,
2.1.2結构的风压系数和风压计算
其中最大值出现在罐体底部,大小为-1.256;筒
根据各测点采样得到的风压时程,可以得到体尾流分离角度在110°与120°之间,当测点所对