基于ansys的高耸烟囱抗风抗震分析

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1、基于ANSYS的高耸烟囱抗风抗震分析发表时间：2009-5-27 作者:倪欣  来源:e-works关键字:ansys 高耸烟囱 抗风抗震分析 高耸结构是一种高度和横向尺寸之比较大的建筑物，横向载荷起主导作用。因为高宽之比较大，结构抗弯强度相对较柔，在横向载荷作用下，容易产生较大的振动和变形。本文主要结合工厂设计方案中的高耸烟囱进行设计和计算。   高耸结构是一种高度和横向尺寸之比较大的建筑物，横向载荷起主导作用。因为高宽之比较大，结构抗弯强度相对较柔，在横向载荷作用下，容易产生较大的振动和变形。   高耸结构分为两种基本类型：一种是直立式的塔式结构，另一种是拉线式的杆

2、式结构。前者在地面固接，计算时可以在某种程度上简化为悬臂梁；后者中心杆身受几个方位的纤绳扶持，而保持结构的直立和稳定，计算时相当于弹性支座连续梁。   高耸结构主要侧重的载荷是风载荷和地震载荷。在非地震区，风载荷自然占据控制地位。即使在地震区，由于高耸结构越来越高，相对来说，刚度也会越柔，风载荷的影响仍然是非常大的。地震载荷由于常常具有非常强的破坏力，也成为高层建筑设计中不可忽视的问题。因此，高层结构的抗风抗震的计算，是高层建筑设计中的重要内容。   本文主要结合工厂设计方案中的高耸烟囱进行设计和计算，如图1（模型已进行了一部分简化）。各部分数据如下：囱高30m，中间为

3、空心。整个烟囱呈锥体结构，外壁斜率为45：1，内壁斜率为50：1，底面半径为2m，空心底面半径为1.4m。材料的密度为2500kg/m3，弹性模量为2.9e10。图1   高耸结构在两种主要动载荷（风载荷和地震载荷）作用下其动力反映是不同的。脉动风载荷作用下（包括顺风向、横风向漩涡干扰力），引起高耸结构的振动反应（包括动应力，动位移，振动加速度）。地震作用下（包括两个方向的水平地震和竖向地震），也会引起结构的动应力，动位移和振动加速度等振动反应。风载荷作用是以外载荷形式沿结构高度风向分布的，地震作用是通过地面运动加速度使结构产生惯性力，两种不同方向的动力源导致结构响应也

4、不同。   高耸结构振动反映和结构本身的动力特性有关，结构的材料性质，质量分布，结构的刚度和结构的形式都将影响结构的动力特性。风载荷和地震作用的计算也离不开结构的自振频率和周期各阶振型。故在进行风载荷和地震模拟前应进行状态提取。   风的强度称为风力，常用风级表示。风级是根据风对地面物体的影响程度而定出的等级。由于根据地面物体对风的影响程度比较笼统，人们习惯用风速大小来表示风级。   为了便于结构的设计计算，常常将风速转为风压来表明风力的大小。低速运动的空气可作为不可压缩的流体看待。对于不可压缩理想流体质点作稳定运动的伯努利方程，当它在同一水平线上运动时的能量表达式为W

5、aV+1/2mv2=c 式中：WaV称为静压能，其中Wa为单位面积上的静压力（KN/m2）,  v为风的速度，V为空气质点的体积，m为运动流体的质量。   在气压为101.325KPa，常温15摄氏度和绝对干燥的情况下，γ=0.012KN/m2，在纬度45°处，海平面上重力加速度为9.8m/s2，由自由风速提供单位面积上的风压力为： KN/m2   根据风速大小，可以求出风压。但是随着高度变化，风速也相应变化，位置越高，风速越大，而且随着周围环境的不同，风速也会有不同的值。   本文的风载荷采用如下模型：q=式中Y为高度，单位为m，w为激励角频率，q为风压大小，单位为P

6、a。   地震载荷对高耸结构的破坏是非常严重的，而且该破坏往往还隐藏着潜在危险，故对高耸结构进行地震模拟很有必要。   地震理论主要包括一下三个：   1）静力理论。该理论不考虑建筑物的动力特性，假设结构物为绝对刚性，地震时建筑物运动与地面运动绝对一致，建筑物的最大加速度等于地面运动的最大加速度，建筑物所受的最大载荷等于其质量与地面最大加速度的乘积。该理论只适用于低矮的，刚性较大的建筑物。   2）反应谱理论。它既考虑了地震时地面的动力特性，也考虑了结构自身的动力特性，是当前工程设计应用最为广泛的地震设计方法之一。反应谱理论是以单质点体系在实际地震作用下的反应为基础来分

7、析结构反应的方法。抗震设计中通常只需地震作用下的最大载荷值，其值为：    w为质点质量，称为水平地震影响因素。   3）直接动力分析理论。反应谱在分析大跨度的柔性结构时，由于非线性因素的影响，反应谱方法的计算误差较大。直接动力分析理论可以克服反应谱理论的缺点。可直接获得地震过程中结构节点各时刻位移，速度，加速度，从而计算各时刻竖向地震作用和构件的地震内力，这些理论称为直接动力分析理论。   下面进行ANSYS的建模，模型完成后的图形如图2。图2   风载荷和地震载荷分两次模拟。首先模拟风载荷，在模型右侧面上施加风压，风压公式在上面已经给