一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法，属于高耸结构风振分析技术 领域。
【背景技术】
[0002] 随着我国高水头水利枢纽的建设和内河水运的发展，超大升程垂直升船机越来越 受到人们的关注，升船机的设计和研宄工作日愈显得重要，而目前的塔柱结构设计和施工 技术还远不能够满足目前水电建设的需要。就超大升程垂直升船机塔柱结构而言，其属于 高耸薄壁结构，对于高耸薄壁结构，风荷载常常重要荷载之一。
[0003]由于目前尚无专门针对水工建筑物高耸结构的设计规范，塔柱的抗风设计主要参 考工民建《建筑结构荷载规范》和《高耸结构设计规范》，即依据经验确定风压体型系数、 风压高度变化系数、风振系数等，进而确定作用于塔柱结构的确定性荷载。而实际上由于 垂直升船机塔柱是一种特殊的高耸结构，在设计风速和设计风压的确定过程中，不但需要 考虑横向风和顺河向风，而且存在中间船厢通道、吊物孔通道、顶部机房之间气流的相互干 扰，四周受到大坝坝体及上下闸室、甚至坝址区局部山谷地形对气流的影响。更重要的是复 杂流场与高柔结构之间可能产生涡流并激发涡激振动，尤其是极端风级情况下的风动力响 应，是一个典型的流固耦合风致振动问题，学科交叉性强的特点使得此问题的研宄不够完 善。因此，开展高耸塔柱结构的抗风研宄具有重大意义。
[0004]报告"三峡升船机风工程研宄中间报告一一三峡升船机刚性模型测压试验"（西 南交通大学，1994)中对三峡升船机塔柱结构进行了风洞实验，其结果显示由风洞实验所得 的风载体型系数比荷载规范中高层建筑物风载体型系数小得多，相差约一倍左右，为三峡 升船机塔柱结构抗风分析提供了一定的依据，但风洞实验模型的建立非常困难，不仅花费 比较高，制作时间也比较长，而且还要面临一些相似准则不能得到满足等问题；钮新强院士 在其博士论文（三峡升船机结构关键技术问题研宄，武汉：华中科技大学，2005)中分析了 该风洞实验所得结果偏小的原因，一方面是由于荷载规范规定的数值一般均偏于安全，另 一方面该风洞试验的模型比例1:140和1:300过小，所测得的结果有一定的局限性，对于三 峡升船机塔柱结构表面的风载体型系数，其借用规范（GB50009-2001，建筑荷载规范，北京： 中国建筑工业出版社，2001)中"封闭式对立两个带雨蓬的双坡屋面"的结构形式来确定， 该做法没有考虑升船机塔柱结构这一 "工况复杂"的高耸结构对风荷载特性的影响；文献 "景洪水电站水力式升船机塔楼结构性态分析"（黄光明，凌云，朱金国，河海大学（自然科 学版），2008,07:506~510)中根据规范（GB50009-2001，建筑荷载规范，北京：中国建筑工 业出版社，2001)计算了作用于景洪水力浮动式升船机塔柱结构上的风荷载，其塔柱结构的 风载体型系数同样根据规范（GB50009-2001，建筑荷载规范，北京：中国建筑工业出版社， 2001)中"封闭式对立两个带雨蓬的双坡屋面"结构形式确定，该做法同样没有考虑升船机 塔柱结构这一 "工况复杂"的高耸结构对风荷载特性的影响。
[0005] 综上所述，对于升船机高耸结构，目前尚无相应的规程规范可作为设计依据，有必 要对其进行完善。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方 法，具体的技术方案如下：
[0007] -种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法，包括如下步骤：
[0008] (1)测定升船机塔柱结构的具体尺寸，其中升船机塔柱结构的高度为H;
[0009] (2)根据步骤（1)测定升船机塔柱结构的具体尺寸，建立升船机塔柱结构的数值 风洞模型，所述数值风洞模型包括塔柱结构模型和风场模型，所述塔柱结构模型的尺寸与 升船机塔柱结构的具体尺寸完全相同，所述风场模型的尺寸选用：塔柱结构模型迎风面为 4H，塔柱结构模型背风面为8H，塔柱结构模型风向的水平两侧均为4H，塔柱结构模型上方 为4H;
[0010] (3)选用湍流模型，施加边界条件，考虑风场模型和塔柱结构模型的相互作用，进 行数值风洞计算，其中，
[0011] 湍流模型的选取：
[0012] 采用标准k-e模型来求解不可压缩粘性流体N-S方程，其湍动能k和湍动能耗散 率e的控制方程如下：
【主权项】
1. 一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 测定升船机塔柱结构的具体尺寸，其中升船机塔柱结构的高度为H; (2) 根据步骤（1)测定升船机塔柱结构的具体尺寸，建立升船机塔柱结构的数值风洞 模型，所述数值风洞模型包括塔柱结构模型和风场模型，所述塔柱结构模型的尺寸与升船 机塔柱结构的具体尺寸完全相同，所述风场模型的尺寸选用：塔柱结构模型迎风面为4H， 塔柱结构模型背风面为細，塔柱结构模型两侧均为4H，塔柱结构模型上方为4H; (3) 选用端流模型，施加边界条件，考虑风场模型和塔柱结构模型的相互作用，用 Adina有限元分析软件进行数值风洞计算，其中， 端流模型的选取： 采用标准k-e模型来求解不可压缩粘性流体N-S方程，其端动能k和端动能耗散率e的控制方程如下：
其中，Ui(i= 1，2，：3)和Uj(j= 1，2，：3)分别代表顺风向方向（i、j= 1)、 横风向方向（i、j= 2)和竖直向方向（i、j= 3)上的流体速度分量，u为运动粘度，t表示 时间，〇k、0和C,均为经验常数，0k、0和C,依次取值〇.〇9、1.44、 1. 92、1. 1 和 1. 3 ; 施加的边界条件为： 风场模型的入口给定速度来流边界条件，采用指数率的平均风剖面来模拟等效的大气 边界层，具体为：
其中，品。是Z=Zi。处的参考风速，a是对应于不同地面粗趟度类别的指数； 风场模型的出口不施加边界条件，保证自由出流； 风场模型的顶壁与侧壁面的边界采用滑移边界，在风场模型的顶壁与侧壁面上法相方 向速度为0 ;风场模型的底面采用无滑移壁面，在风场模型的底面上所有速度为0 ; 塔柱结构模型底部采用固定约束，所有方向位移为0 ; 风场模型和塔柱结构模型的相互作用： 风场模型和塔柱结构模型交界处采用流固禪合边界条件，具体为：
式中，r^-流固禪合面；J、M-分别为流固禪合面上固体的速度和流体的速度； 专、亏一分别为流固禪合面上固体的表面应力和流体的表面应力；数值风洞计算： 在Adina有限元分析软件中设定上述公式中各相关参数值，其中〇k=〇.〇9,0e= 1. 44,Cie= 1. 92,C2e= 1. 1，c"= 1. 3，曰=0. 16，％=25m/s，空气密度P= 1. 22化g/ m3,空气粘性系数取V= 1. 7394*l〇-中a.s，固体弹性模量E= 2. 5*104MPa，固体密度P= 2500kg/m3,泊松比y= 0. 167,在Adina有限元分析软件中按照上述内容设定相应的边界 条件，Adina有限元分析软件运行给出数值风洞计算结果。 (4) 根据步骤（3)的计算结果，推求塔柱结构模型各表面的风载体型系数y,，风载体 型系数y,用塔柱结构模型表面上第i点的平均风压系数CW与该点所属表面积Ai的乘积 取加权平均得到，其值为
式中，A为所计算表面的总面积； (5) 根据步骤（3)和步骤（4)的结果，推导升船机塔柱结构的顺风向风振系数公式，升 船机塔柱结构顺风向风振系数0(Z)的推导公式为：
式中，ni为结构第一阶自振频率，y,为风载体型系数，g为峰因子，a为地面粗趟指数， 約(Z)为塔柱结构第一阶振型，B(z)为升船机塔柱结构在高度Z处的宽度，；1。为10m高度处 的风速，打与亡〇(如2)分别为点Ml和点M2的风压系数，Rxz(Mi，M2)为Ml,M2两点的脉 动风压互相关函数，句Z)与Kz)分别为点Ml和点M2处的平均风速，IH1(in) 12为频响函数，Sy(n)为脉动风速功率谱，n为脉动风频率，k为地面粗趟系数，C为衰减系数，e为自然常数。
2. 根据权利要求1所述的一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法，其特征是所述步骤 (4)中的平均风压系数Cpi的计算公式为：
式中，Cpi为第i点的平均风压系数，P巧某点风压，Pm为静压，而是10m高程处的参 考风速，P为空气密度，取1.22化g/m3。
3.根据权利要求1所述的一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法，其特征是所述风场 模型为在塔柱结构模型附近区域建立离散网格，离散网格的尺寸精细到足够捕捉剪切层和 祸流物理现象的特征变化。
4.根据权利要求3所述的一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法，其特征是所述离散 网格的拉伸率小于1. 2,其中，塔柱结构附近的离散网格要达到能精确地被求解塔柱结构模 型表面边界层内的压力。
5.根据权利要求4所述的一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法，其特征是所述风场 模型的离散网格选用六面体形状的网格。
【专利摘要】一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法，包括如下步骤：（1）测定升船机塔柱结构的具体尺寸，其中升船机塔柱结构的高度为H；（2）建立升船机塔柱结构的数值风洞模型，数值风洞模型包括塔柱结构模型和风场模型；（3）选用湍流模型，施加边界条件，考虑风场模型和塔柱结构模型的相互作用，进行数值风洞计算；（4）推求塔柱结构模型各表面的风载体型系数；（5）推导升船机塔柱结构的顺风向风振系数公式。本发明能直接得到升船机塔柱结构在风荷载作用下的响应，同时为了方便设计人员能按照规范方法对升船机塔柱结构进行受力计算，提供了升船机塔柱结构各表面风载体型系数参考取值和升船机塔柱结构顺风向风振系数的公式推导。
【IPC分类】G06F19-00, G06F17-50
【公开号】CN104794356
【申请号】CN201510209740
【发明人】郭博文, 赵兰浩, 李同春
【申请人】河海大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月28日