基于ANSYS的高聳煙囪抗風(fēng)抗震分析.doc

基于ANSYS的高聳煙囪抗風(fēng)抗震分析 發(fā)表時(shí)間：2009-5-27 作者: 倪欣 來(lái)源: e-works 關(guān)鍵字: ansys高聳煙囪抗風(fēng)抗震分析 高聳結(jié)構(gòu)是一種高度和橫向尺寸之比較大的建筑物，橫向載荷起主導(dǎo)作用。因?yàn)楦邔捴容^大，結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度相對(duì)較柔，在橫向載荷作用下，容易產(chǎn)生較大的振動(dòng)和變形。本文主要結(jié)合工廠設(shè)計(jì)方案中的高聳煙囪進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。 高聳結(jié)構(gòu)是一種高度和橫向尺寸之比較大的建筑物，橫向載荷起主導(dǎo)作用。因?yàn)楦邔捴容^大，結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度相對(duì)較柔，在橫向載荷作用下，容易產(chǎn)生較大的振動(dòng)和變形。 高聳結(jié)構(gòu)分為兩種基本類(lèi)型：一種是直立式的塔式結(jié)構(gòu)，另一種是拉線式的桿式結(jié)構(gòu)。前者在地面固接，計(jì)算時(shí)可以在某種程度上簡(jiǎn)化為懸臂梁；后者中心桿身受幾個(gè)方位的纖繩扶持，而保持結(jié)構(gòu)的直立和穩(wěn)定，計(jì)算時(shí)相當(dāng)于彈性支座連續(xù)梁。 高聳結(jié)構(gòu)主要側(cè)重的載荷是風(fēng)載荷和地震載荷。在非地震區(qū)，風(fēng)載荷自然占據(jù)控制地位。即使在地震區(qū)，由于高聳結(jié)構(gòu)越來(lái)越高，相對(duì)來(lái)說(shuō)，剛度也會(huì)越柔，風(fēng)載荷的影響仍然是非常大的。地震載荷由于常常具有非常強(qiáng)的破壞力，也成為高層建筑設(shè)計(jì)中不可忽視的問(wèn)題。因此，高層結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)抗震的計(jì)算，是高層建筑設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。 本文主要結(jié)合工廠設(shè)計(jì)方案中的高聳煙囪進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，如圖1（模型已進(jìn)行了一部分簡(jiǎn)化）。各部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：囪高30m，中間為空心。整個(gè)煙囪呈錐體結(jié)構(gòu)，外壁斜率為45：1，內(nèi)壁斜率為50：1，底面半徑為2m，空心底面半徑為1.4m。材料的密度為2500kg/m3，彈性模量為2.9e10。圖1 高聳結(jié)構(gòu)在兩種主要?jiǎng)虞d荷（風(fēng)載荷和地震載荷）作用下其動(dòng)力反映是不同的。脈動(dòng)風(fēng)載荷作用下（包括順風(fēng)向、橫風(fēng)向漩渦干擾力），引起高聳結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)（包括動(dòng)應(yīng)力，動(dòng)位移，振動(dòng)加速度）。地震作用下（包括兩個(gè)方向的水平地震和豎向地震），也會(huì)引起結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力，動(dòng)位移和振動(dòng)加速度等振動(dòng)反應(yīng)。風(fēng)載荷作用是以外載荷形式沿結(jié)構(gòu)高度風(fēng)向分布的，地震作用是通過(guò)地面運(yùn)動(dòng)加速度使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生慣性力，兩種不同方向的動(dòng)力源導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)也不同。 高聳結(jié)構(gòu)振動(dòng)反映和結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性有關(guān)，結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)，質(zhì)量分布，結(jié)構(gòu)的剛度和結(jié)構(gòu)的形式都將影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。風(fēng)載荷和地震作用的計(jì)算也離不開(kāi)結(jié)構(gòu)的自振頻率和周期各階振型。故在進(jìn)行風(fēng)載荷和地震模擬前應(yīng)進(jìn)行狀態(tài)提取。 風(fēng)的強(qiáng)度稱(chēng)為風(fēng)力，常用風(fēng)級(jí)表示。風(fēng)級(jí)是根據(jù)風(fēng)對(duì)地面物體的影響程度而定出的等級(jí)。由于根據(jù)地面物體對(duì)風(fēng)的影響程度比較籠統(tǒng)，人們習(xí)慣用風(fēng)速大小來(lái)表示風(fēng)級(jí)。 為了便于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，常常將風(fēng)速轉(zhuǎn)為風(fēng)壓來(lái)表明風(fēng)力的大小。低速運(yùn)動(dòng)的空氣可作為不可壓縮的流體看待。對(duì)于不可壓縮理想流體質(zhì)點(diǎn)作穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的伯努利方程，當(dāng)它在同一水平線上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量表達(dá)式為WaV+1/2mv2=c式中：WaV稱(chēng)為靜壓能，其中Wa為單位面積上的靜壓力（KN/m2）,v為風(fēng)的速度，V為空氣質(zhì)點(diǎn)的體積，m為運(yùn)動(dòng)流體的質(zhì)量。 在氣壓為101.325KPa，常溫15攝氏度和絕對(duì)干燥的情況下，=0.012 KN/m2，在緯度45處，海平面上重力加速度為9.8m/s2，由自由風(fēng)速提供單位面積上的風(fēng)壓力為： KN/m2 根據(jù)風(fēng)速大小，可以求出風(fēng)壓。但是隨著高度變化，風(fēng)速也相應(yīng)變化，位置越高，風(fēng)速越大，而且隨著周?chē)h(huán)境的不同，風(fēng)速也會(huì)有不同的值。 本文的風(fēng)載荷采用如下模型：q= 式中Y為高度，單位為m，w為激勵(lì)角頻率，q為風(fēng)壓大小，單位為Pa。 地震載荷對(duì)高聳結(jié)構(gòu)的破壞是非常嚴(yán)重的，而且該破壞往往還隱藏著潛在危險(xiǎn)，故對(duì)高聳結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震模擬很有必要。 地震理論主要包括一下三個(gè)： 1）靜力理論。該理論不考慮建筑物的動(dòng)力特性，假設(shè)結(jié)構(gòu)物為絕對(duì)剛性，地震時(shí)建筑物運(yùn)動(dòng)與地面運(yùn)動(dòng)絕對(duì)一致，建筑物的最大加速度等于地面運(yùn)動(dòng)的最大加速度，建筑物所受的最大載荷等于其質(zhì)量與地面最大加速度的乘積。該理論只適用于低矮的，剛性較大的建筑物。 2）反應(yīng)譜理論。它既考慮了地震時(shí)地面的動(dòng)力特性，也考慮了結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性，是當(dāng)前工程設(shè)計(jì)應(yīng)用最為廣泛的地震設(shè)計(jì)方法之一。反應(yīng)譜理論是以單質(zhì)點(diǎn)體系在實(shí)際地震作用下的反應(yīng)為基礎(chǔ)來(lái)分析結(jié)構(gòu)反應(yīng)的方法?？拐鹪O(shè)計(jì)中通常只需地震作用下的最大載荷值，其值為： w為質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，稱(chēng)為水平地震影響因素。 3）直接動(dòng)力分析理論。反應(yīng)譜在分析大跨度的柔性結(jié)構(gòu)時(shí)，由于非線性因素的影響，反應(yīng)譜方法的計(jì)算誤差較大。直接動(dòng)力分析理論可以克服反應(yīng)譜理論的缺點(diǎn)?？芍苯荧@得地震過(guò)程中結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)各時(shí)刻位移，速度，加速度，從而計(jì)算各時(shí)刻豎向地震作用和構(gòu)件的地震內(nèi)力，這些理論稱(chēng)為直接動(dòng)力分析理論。 下面進(jìn)行ANSYS的建模，模型完成后的圖形如圖2。圖2 風(fēng)載荷和地震載荷分兩次模擬。首先模擬風(fēng)載荷，在模型右側(cè)面上施加風(fēng)壓，風(fēng)壓公式在上面已經(jīng)給出。下面給出分析完成后的結(jié)果圖。圖3所示是在時(shí)間2.826s時(shí)，Y（豎向）方向上的位移圖。圖3 下面在繪制煙囪不同位置的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間歷程圖。首先，選取三個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為煙囪頂部節(jié)點(diǎn)（up），煙囪中部節(jié)點(diǎn)（mid），煙囪底部節(jié)點(diǎn)（down）。圖4中顯示的是這三個(gè)節(jié)點(diǎn)在X方向上的位移變化曲線；圖5顯示的是這三個(gè)節(jié)點(diǎn)在Y方向上的位移變化曲線；圖6顯示的是這三個(gè)節(jié)點(diǎn)在X方向上速度的變化曲線；圖7顯示的是在Y方向上速度的變化曲線。可以看出，這些圖中量級(jí)都在e-5以上，這說(shuō)明該煙囪在此風(fēng)載荷作用下，豎向和橫向的位移都很小，即煙囪的振幅很小，結(jié)構(gòu)較安全。圖4圖5圖6圖7 以下進(jìn)行地震載荷作用時(shí)，煙囪的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本文地震分析采用的是某地的地震波，取其垂直方向和南北方向的記錄，記錄時(shí)間長(zhǎng)5.4s，取點(diǎn)時(shí)間間隔為0.1s，共有54個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。由于篇幅原因，本文不給出相關(guān)的地震波數(shù)據(jù)，讀者可以查閱相關(guān)的資料，以獲得這些數(shù)據(jù)。下面結(jié)合最后的結(jié)果圖說(shuō)明。圖8顯示的是地震結(jié)束時(shí)的變形圖，可以看出結(jié)構(gòu)受地震影響還是很大的。圖9顯示的是三個(gè)節(jié)點(diǎn)的X方向位移變化曲線；圖9顯示的是Y方向位移變化曲線；圖10顯示的是三個(gè)節(jié)點(diǎn)的X方向速度變化曲線；圖1