基于ANSYS的高耸烟囱抗风抗震分析

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WaV+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Pa。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出。下面给出分析完成后的结果图。图3所示是在时间2.826s时，Y（竖向）方向上的位移图。图3下面在绘制烟囱不同位置的节点的时间历程图。首先，选取三个节点，分别为烟囱顶部节点（up），烟囱中部节点（mid），烟囱底部节点（down）。图4中显示的是这三个节点在X方向上的位移变化曲线；图5显示的是这三个节点在Y方向上的位移变化曲线；图6显示的是这三个节点在X方向上速度的变化曲线；图7显示的是在Y方向上速度的变化曲线。可以看出，这些图中量级都在e-5以上，这说明该烟囱在此风载荷作用下，竖向和横向的位移都很小，即烟囱的振幅很小，结构较安全。图4图5图6图7以下进行地震载荷作用时，烟囱的动态响应。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记录，记录时间长5.4s，取点时间间隔为0.1s，共有54个数据点。由于篇幅原因，本文不给出相关的地震波数据，读者可以查阅相关的资料，以获得这些数据。下面结合最后的结果图说明。图8显示的是地震结束时的变形图，可以看出结构受地震影响还是很大的。图9显示的是三个节点的X方向位移变化曲线；图9显示的是Y方向位移变化曲线；图10显示的是三个节点的X方向速度变化曲线；图12显示的是Y方向速度变化曲线。与风载荷下烟囱的响应相比较：地震的影响更加明显。其量纲普遍比风载荷下要大一个数量级，烟囱在X方向上的位移和速度的响应幅值更是比风载荷作用下要大百倍以上。从图中可以看出，在发生地震时，烟囱会受到很大的破坏。图8图9图10图11图12