超大储气罐风洞试验,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3.910 Hz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

　　

　　大型储气罐体型为圆柱体, 属于大型特殊钢结构。我国现行建筑结构荷载规范中的风荷载条文不能涵盖大型储气罐这类特殊工业结构, 为保证大型储气罐结构的抗风安全性、适用性和可靠性, 提高其抗风设计的科学性、经济性和合理性,通过风洞试验确定其结构上的平均风压与脉动风压, 进而分析、计算其在风荷载作用下的静、动态响应, 评价其抗风性能是完全必要的。基于线性体系随机振动理论的频域分析方法是结构风振响应分析的首选方法。由于该储气罐各阶固有频率分布密集、振动模态复杂, 因此, 运用频域法进行风振响应分析时, 如何合理地选取参与计算的模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筒体风致位移响应进行了初步的探讨。不锈钢储气罐

　　

　　1　工程简介

　　

　　1.1　试验模型

　　

　　本试验在研究院风洞试验室中进行。其工作转盘直径为2.5 m, 采用档板、尖塔、粗糙元装置模拟大气边界层风场。大型储气罐刚性模型测压风洞试验即在此试验段进行。大型储气罐测压模型由有机玻璃制成,几何缩尺比

　　

　　为1∶150。模型共布置370个测压点, 其中, 圆柱体立面布置240 个测点, 屋盖布置130个测点。试验分两次同步测压。为了测量风洞试验参考高度处风速, 在模型左前方处安装了风速管, 其安装高度为0.6 m, 与模型测压同步测量此处的风速。本次试验采用3个扫描阀分2次分别同时测量,依次对所有测压点的压力信号进行扫描。脉动压力的采样时间为13.1 s, 每个测点的采样频率为313 Hz,试验风速为8.02 m/s。风洞中的测压模型、风剖面、风速谱与风向角空压机储气罐

　　

　　1.2　风场的模拟

　　

　　在本次风洞试验中, 采用档板、尖塔、粗糙元

　　

　　等装置来模拟大气边界层风场。大型储气罐所处地貌属于我国建筑结构荷载规范中的B类地貌,故所模拟风场的风剖面地面粗糙度指数α=0.16。近地湍流度ε≈20%。几何缩尺比为1∶150。

　　

　　2　储气罐表面风压特性

　　

　　2.1　试验数据处理

　　

　　2.1.1　测点风压时程

　　

　　大型储气罐测压模型上的各测点风压时程可直接测量得到, 各测点读数的单位为kPa, 另外参考点风速时程同时同步单独测量。申江牌储气罐

　　

　　2.1.2　结构的风压系数和风压计算

　　

　　根据各测点采样得到的风压时程, 可以得到结构某点的平均风压系数为:μsj= wjρV2j/w(1)式中, wj为该测点的平均风压;Vj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测点j的平均风压系数可表为:sj=wjwhfhjhf2α(2)均方根风压系数可表示为:μsj=σjwhfhjhf2α (3)式中, whf为参考点高度的参考风压, 本次试验为0.6 m高处平均风压;hj为测点j处高度;σj为j测点的均方根风压。

　　

　　2.2　储气罐平均风压系数分布

　　

　　由于该结构为回转对称结构, 以0°风向角为例说明平均风系数的分布特性。其平均风压系数的分布规律大致为:储气罐侧壁的平均风压在迎风面为正, 随着风绕过储气罐时出现分离现象, 其侧面与背面的风压均为负值。储气罐顶盖的风压以负压为主, 0°风向角平均风压系数分布如图5。由上图可看出:储气罐表面压力分布表现为两侧对称分布;筒体迎风面从风压系数为正值处直到负值为-0.7处附近, 其风压系数沿高度变化不大, 等压线基本为一条直线;同时在此范围内等压线非常密集, 其平均风压系数随角度的变化非常大;筒体最大负的风压系数出现在60°左右,其中最大值出现在罐体底部, 大小为-1.256;筒体尾流分离角度在110°与120°之间, 当测点所对

　　

　　4　结　论

　　

　　(1)储气罐表面压力分布表现为两侧对称分布。(2)筒体迎风面从风压系数为正值处直到负值为-0.7处附近, 其风压系数沿高度变化不大,等压线基本为一条直线, 同时在此范围内等压线非常密集, 其平均风压系数随角度的变化很大。(3)筒体最大负的风压系数出现在60°左右,其中最大值出现在罐体底部;筒体尾流分离角度在110°～ 120°之间;当测点所对应的角度大于120°时, 其平均风压系数变化很小, 储气罐顶盖的风压以负压为主, 最大负压出现在迎风面的边缘。(4)由于该储气罐体型特殊(圆柱体外包有工字型钢), 若直接套用规范的风荷载体型系数进行设计偏于保守。(5)对于该大型储气罐, 由于频率密集, 故要考虑多阶模态频率贡献。从文中所发现的规律来看, 对于节点位移响应来说,需要考虑的模态频率数比较少。而对于单元内力响应来说, 需要考虑的模态频率数相对多一些。(6)根据本文对该大型储气罐风振响应计算所得结果可知:当实际频率达到3.91 Hz(对应计算模态为17阶)时候, 其风振响应已经非常稳定,因而对于该大型储气罐风来说, 风振响应计算截止频率取3.91 Hz是比较合适的。(7)对于该大型储气罐均方根响应值在频率为2.706 Hz、2.718 Hz、2.780Hz和3.169 Hz处

　　

　　发生跳跃现象, 也就是说该频率处对响应的贡献很大, 这应该与此大型储气罐的结构特性有关, 也是在类似的工程结构计算时应特别注意的。

 

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