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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
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