11.塔楼、烟囱和桅杆结构外文翻译资料
2023-01-28 12:17:35
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11.塔楼、烟囱和桅杆结构
11.1介绍
在本章中，将考虑各种细长垂直结构的风荷载和风力响应：圆形截面烟囱，独立格构式塔架，不同横截面的观测塔，携带照明作用的极柱或移动电话天线塔。 自然通风冷却塔尽管不纤细，但却是大型风敏结构;第11.6节将简要介绍结构风力作用下的载荷和响应。
首先确定描述细长结构的载荷和响应的方法（通过第1-7章中概述的一般原则），然后通过几个测试用例的描述。
细长结构的风力的动态响应性质与高层建筑物的风力学类似（见第9章）。 但是有一些明显的区别：
1.基本模式的形状通常是非线性的。
2.较高的模式在谐振动态响应中更有可能重要。
3.由于纵横比高，宽度远远小于可应用高度空气动力学的“条带”理论。 也就是说，处于相同的高度，横截面的总空气动力学系数可以与上游的风力特性一起使用。
4.如果单位高质量低，气动阻尼（第5.5.1）将显著。
5.对于高层建筑物，跨风响应可能是重要的（晶格结构除外）。 然而，由于横风宽度较小，涡流脱落频率（或交叉风力谱的最大频率）与第一模式振动频率一致的速度通常远低于建筑物的大小，而在频繁发生的平均风速的范围。
11.2历史
11.2.1格构式塔架
巴黎的艾菲尔铁塔在1889年建成，世界上最高的建筑物是300米，是格构式建筑的第一座主要塔楼之一。设计师古斯塔夫·埃菲尔（Gustav Eiffel）描述了设计中使用的风荷载假设，法国兴业公民社区（埃菲尔，1885年）。他假设在基座处的静态水平压力为2 kPa，顶部增加到4 kPa。 在塔的顶部和底部的大部分上，他用具有相同封闭区域的固体表面替换格构式中的构件区域。在塔的坚固度较低的中段，他假定前方面积是“铁实际面积的四倍”。这些非常保守的假设当然导致了一个非常僵硬的结构，在强风中没有可服务性的问题。
埃菲尔在塔顶建造了一个实验室，并进行了各种科学实验，包括使用垂直瞄准顶部目标的望远镜测量塔的偏转。 Davenport（1975）分析了其中一些测量结果。 这些表明，设计中使用的有效阻力系数约为产生测量偏转所需的3.5倍，而目前用于设计固体约为0.3的塔（见图11.1）。
或许有人提醒他的设计过于保守，后来在埃菲尔塔上，在简单的平板上对风力进行了一些试验。
从20世纪20年代开始，随着高压输电，广播电视广播的发展，促进了格构式塔架建设的有效利用。
11.2.2高烟囱
十九世纪二十世纪初，大多数工厂和电站烟囱都是砖石建造的。 由于已知砖石薄弱环节接头抵抗张力弱，这些结构将依赖于静荷载抵抗风荷载的倾覆效应。 尽管无疑，许多这些在严重的风暴中失败，但是在1893年，科内特评论说：“现在有数以千计的这种烟囱存在，许多是在非常开放和暴露的情况，除了砂浆的附着力外，这种烟囱在压力不超过15磅/平方英尺的情况下将无法被推翻”（Kernot，1893）。 Kernot得出结论，目前使用的设计风压是过分保守的（可能早期认识到相关性的影响），并开始对风荷载进行一些重要的早期研究（见第7.2.1节和图7.1）。
圆形烟囱的第一次全面风压测量是由Dryden和Hill在华盛顿特区附近标准局电厂新建的石工烟囱进行的（Dryden和Hill，1930年）。 这些测量与安装在屋顶上的另一较短气缸（纵横比为3）的全尺寸测量以及圆柱体上的风洞测量是一起进行。这一重要研究早期认识到雷诺数，通过比较所得到的压力分布，得到表面粗糙度（4.5.1）和纵横比（第4.5.2节）对纤维的压力分布和圆柱体的阻
图11.1方塔的阻力系数
力系数的影响。
在20世纪50年代，在C.(lsquo;Kitrsquo;)Scruton的指导下，在英国国家物理实验室（NPL）对钢烟囱的横风振动进行了大量工作。 这项工作（e.g. Scruton and Flint,1964）包括在压缩空气风洞中获得的圆柱体的一些重要测量，以及开发现在普遍存在的螺旋带，用于减轻由高烟囱涡旋脱落引起的振动（第4.6.3节和图4.26）。
11.3塔的基本阻力系数
11.3.1固体横截面的阻力系数
许多观察塔，通讯塔和烟囱都有圆形或正方形的横截面。 这些横截面的阻力系数在第4章中进行了讨论。长宽比小于20的影响对有效总阻力系数有显着影响（见图4.10和4.19）。 其他横截面可能需要风洞测试来确定阻力系数。
可以使用适合于高度的风速的合适的截面阻力系数，使用平均风速分布的适当表达式来计算单位高度的平均或时间平均拖曳力以及相应的弯矩（参见方程式5.32 ）。
11.3.2格构式塔架的阻力系数
用于与矩形格构式塔架的任何角度吹风的风力的基本公式为：
（11.1）
其中
D为在一个完整的塔面板部件上的牵引力（即 正方形塔的四个侧面）。
CD是整个塔段的阻力系数 - 这取决于面部的坚固性和风向。
AZ是塔的一个面的塔构件的投影面积。
为正在考虑的面板的平均高度z处的动态风压。
图11.1显示了风洞试验的风与吹到一个脸的实验值相比，澳大利亚钢格构式塔架标准中规定的CD值，AS3995（Standard Australia，1994）对于具有平面构件的方形截面，作为固体的函数。对于0.1至0.5的稳定范围，以下方程是合适的（来自Bayar，1986）。
CD=4.2-7(forlt;0.2) (11.2)
CD=3.5-3.5（for 0.2lt;lt;0.5） (11.3)
对于传输线结构，ASCE准则（2010）和CSIR建议（1990）给出了关于塔的面部任意任意风向theta;的格构式塔架的截面上的风阻力的方程式。
(11.4)
其中
Cdn1,Cdn2分别为垂直于塔的相邻面1和2的风的阻力系数。
An1,An2分别为面1和面2的总投影面积。
theta;为风相对于塔的正面1的入射角。
Ktheta;是一个风力产生因子（根据经验得出）。
(11.5)
其中为压缩比（for 0.2lt;lt;0.5）
ASCE准则（2010）给出了类似于公式11.4的形式，Ktheta;的形式略有不同。
格构式塔架的拖动也可以通过对每个部分的贡献求和来计算。 然而，这是一个复杂的计算，因为必须考虑不同的俯仰角和方位角对各种构件的影响。该方法也不容易解释部分和面部之间的干扰和屏蔽效应。
11.4高细长塔的风致响应特征
随机振动理论在具有分布质量结构的风致响应中的应用在5.3.6和5.3.7节中讨论。等效静载分布法对高层结构风致响应的应用描述在第5.4节。这些方法适用于本章涵盖的所有结构。然而，一个简单的阵风响应因子（第5.3.2节），其中单个乘数G应用于平均压力分布或来自其的结构响应，通常不以其最简单的形式适用于细长结构。需要修改以允许变化的阵风响应因子，这取决于需要负载效应的高度s。当使用动态响应因子方法时，类似的参数（第5.3.4节）。
两种效应随负载效应的高度导致阵风响应因子的增加：
- 当谐振分量随着高度s的增加而增加的弯曲模式形状增加。
- 由于阵风大小等于或大于结构顶部的高度和高度之间的距离（h-s）h在产生水平s的应力方面是完全有效的，底部贡献也随着高度的增加而增加。
对于细长塔的分析（Holmes，1994）给出了塔的任意高度s处的剪切力Gq和弯矩Gm的阵风响应因子的以下表达式：
(11.6)
(11.7)
其中
r是粗糙度因子（= 2Iu），即塔顶部纵向湍流强度的两倍（3.3.1节）。
Bs是反映高度S和塔顶之间波动负载相关性降低的背景因素（第4.6.6节）。
gB和gR是分别为背景和谐振分量计算的峰值因子（第5.3.3节）。
S是表示在塔的固有频率下评估的空气动力学导纳（第5.3.1节）的尺寸因子。
， 是指在塔的固有频率下评估的纵向湍流的光谱密度（3.3.4节）的无量纲形式。
eta;1是第一振动模式的临界阻尼比（这也应包括气动阻尼贡献）。
是取决于接近风的性质和塔的几何和动态特性的平均速度分布，锥度比，振型和质量分布的无量纲参数。它还取决于比（s/h），即需要剪切力和弯矩的高度等级s和塔顶部的高度之比。
通过对典型格构式塔架的等式11.6和11.7的评估（Holmes，1994），显示阵风响应因子与结构高度的值的增加通常在5-15％的范围内。
对于塔顶部的偏转x进行类似的分析，给出了等式11.6和11.7对于偏转的阵风响应因子Gx（Holmes，1996a）：
(11.8)
其中
Bo是在s等于0的Bs评估（由于在塔的整个高度上的相关性的降低是重要的，F10，F11和F12是附加的无量纲参数; F12是塔的无量纲刚度）。
从等式11.6,11.7和11.8可以看出，阵风响应因子取决于所考虑的负载效应的类型以及在其评估的塔上的高度。
对于细长塔和烟囱的沿风载荷和响应的另一种方法是5.4节中讨论的等效（或有效）静载荷分布方法（另见Holmes，1996b）。这种方法考虑到复杂形状的塔的高度上的尺寸形状和质量的变化。导出用于160米塔的有效静态风荷载分布的示例如图5.11和5.12所示。
11.5高斜度塔的横风响应
来自均匀或略微锥形截面的塔的正常涡流脱落的强度通常足够强以在横风方向上产生明显的动力。如果实心截面的细长塔的阻尼较小，则如果涡流脱落的频率与结构的固有频率一致，则可能会发生高振幅振动。这种重合的速度被称为临界速度。如果临界速度非常高，这在设计范围之外，则不会出现问题，因为谐振条件不会发生。相反，如果临界速度非常低，则空气动力学励磁力也将不会有问题。然而，如果临界速度落在10-40m/s的范围内，可能会发生显着的振动。
由于与相同横风宽度的正方形或矩形截面相比，圆形截面的涡旋脱落率较高，所以临界速度明显较低。细长塔或烟囱的横风响应计算方法分为两类：
1.基于正弦激励；
2.基于随机激发；
在以下章节中，描述了主要用于圆形横截面结构的方法。然而，原则上它们可以应用于任何（恒定）横截面的结构。
11.5.1正弦激励模型
假设涡街现象产生的圆柱接近正弦交风力可以链接到斯克拉顿和他的同事在20世纪50年代和60年代的工作（在斯克拉顿，1981年总结）。在原始配方中，激发力仅被视为一种负气动阻尼的形式，但这相当于施加力的正弦激励。这种模型对于发生大振荡的情况而言是好的，而脱落已被“锁定”到结构的横风运动（见5.5.4节）。
Rumman（1970）和Ruscheweyh也提出正弦激励模型（1990）。
与风力工程中的其他负载模型不同，正弦激励模型是确定性的，而不是随机的。正弦激励的假设导致也是正弦的响应。
为了得出由于涡流脱落引起交叉振动的结构振动的最大振幅的简单公式，将作如下假设：
bull;正弦交叉风力随时间变化
bull;力在他们行动的高度上的完全相关性
bull;恒定幅度波动的交叉风力系数
对于在湍流自然风中振动的结构，这些假设都不是非常准确的。然而，它们对于简单的初始计算是有用的，以确定涡流引起的振动是否是潜在的问题。
假设结构在第j种振动模式下振动（实际上j将等于1或2），因此公式5.17适用：
(5.17)
其中
Gj 是广义质量，等于
m(z)是沿结构单位长度的质量。
h是结构的高度。
Cj是模态阻尼。
Kj是模态刚度。
omega;j是第j个模式的自然无阻尼圆周频率
Qj(t)是广义力，等于，其中f(z,t)是每单位高度的波动力。
z1和z2是涡流脱落力起作用的高度范围的下限和上限。
在这种情况下，施加的力被假定为具有等于涡流脱落频率的频率的谐波（正弦曲线）ns。当n s等于结构的固有频率nj时，振动的最大振幅将发生在谐振。
因此，广义力量(第5.3.6节)给出:
其中
Qj,max是施加的广义力的幅度，由下式
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11.塔楼、烟囱和桅杆结构
11.1介绍
在本章中，将考虑各种细长垂直结构的风荷载和风力响应：圆形截面烟囱，独立格构式塔架，不同横截面的观测塔，携带照明作用的极柱或移动电话天线塔。 自然通风冷却塔尽管不纤细，但却是大型风敏结构;第11.6节将简要介绍结构风力作用下的载荷和响应。
首先确定描述细长结构的载荷和响应的方法（通过第1-7章中概述的一般原则），然后通过几个测试用例的描述。
细长结构的风力的动态响应性质与高层建筑物的风力学类似（见第9章）。 但是有一些明显的区别：
1.基本模式的形状通常是非线性的。
2.较高的模式在谐振动态响应中更有可能重要。
3.由于纵横比高，宽度远远小于可应用高度空气动力学的“条带”理论。 也就是说，处于相同的高度，横截面的总空气动力学系数可以与上游的风力特性一起使用。
4.如果单位高质量低，气动阻尼（第5.5.1）将显著。
5.对于高层建筑物，跨风响应可能是重要的（晶格结构除外）。 然而，由于横风宽度较小，涡流脱落频率（或交叉风力谱的最大频率）与第一模式振动频率一致的速度通常远低于建筑物的大小，而在频繁发生的平均风速的范围。
11.2历史
11.2.1格构式塔架
巴黎的艾菲尔铁塔在1889年建成，世界上最高的建筑物是300米，是格构式建筑的第一座主要塔楼之一。设计师古斯塔夫·埃菲尔（Gustav Eiffel）描述了设计中使用的风荷载假设，法国兴业公民社区（埃菲尔，1885年）。他假设在基座处的静态水平压力为2 kPa，顶部增加到4 kPa。 在塔的顶部和底部的大部分上，他用具有相同封闭区域的固体表面替换格构式中的构件区域。在塔的坚固度较低的中段，他假定前方面积是“铁实际面积的四倍”。这些非常保守的假设当然导致了一个非常僵硬的结构，在强风中没有可服务性的问题。
埃菲尔在塔顶建造了一个实验室，并进行了各种科学实验，包括使用垂直瞄准顶部目标的望远镜测量塔的偏转。 Davenport（1975）分析了其中一些测量结果。 这些表明，设计中使用的有效阻力系数约为产生测量偏转所需的3.5倍，而目前用于设计固体约为0.3的塔（见图11.1）。
或许有人提醒他的设计过于保守，后来在埃菲尔塔上，在简单的平板上对风力进行了一些试验。
从20世纪20年代开始，随着高压输电，广播电视广播的发展，促进了格构式塔架建设的有效利用。
11.2.2高烟囱
十九世纪二十世纪初，大多数工厂和电站烟囱都是砖石建造的。 由于已知砖石薄弱环节接头抵抗张力弱，这些结构将依赖于静荷载抵抗风荷载的倾覆效应。 尽管无疑，许多这些在严重的风暴中失败，但是在1893年，科内特评论说：“现在有数以千计的这种烟囱存在，许多是在非常开放和暴露的情况，除了砂浆的附着力外，这种烟囱在压力不超过15磅/平方英尺的情况下将无法被推翻”（Kernot，1893）。 Kernot得出结论，目前使用的设计风压是过分保守的（可能早期认识到相关性的影响），并开始对风荷载进行一些重要的早期研究（见第7.2.1节和图7.1）。
圆形烟囱的第一次全面风压测量是由Dryden和Hill在华盛顿特区附近标准局电厂新建的石工烟囱进行的（Dryden和Hill，1930年）。 这些测量与安装在屋顶上的另一较短气缸（纵横比为3）的全尺寸测量以及圆柱体上的风洞测量是一起进行。这一重要研究早期认识到雷诺数，通过比较所得到的压力分布，得到表面粗糙度（4.5.1）和纵横比（第4.5.2节）对纤维的压力分布和圆柱体的阻
图11.1方塔的阻力系数
力系数的影响。
在20世纪50年代，在C.(lsquo;Kitrsquo;)Scruton的指导下，在英国国家物理实验室（NPL）对钢烟囱的横风振动进行了大量工作。 这项工作（e.g. Scruton and Flint,1964）包括在压缩空气风洞中获得的圆柱体的一些重要测量，以及开发现在普遍存在的螺旋带，用于减轻由高烟囱涡旋脱落引起的振动（第4.6.3节和图4.26）。
11.3塔的基本阻力系数
11.3.1固体横截面的阻力系数
许多观察塔，通讯塔和烟囱都有圆形或正方形的横截面。 这些横截面的阻力系数在第4章中进行了讨论。长宽比小于20的影响对有效总阻力系数有显着影响（见图4.10和4.19）。 其他横截面可能需要风洞测试来确定阻力系数。
可以使用适合于高度的风速的合适的截面阻力系数，使用平均风速分布的适当表达式来计算单位高度的平均或时间平均拖曳力以及相应的弯矩（参见方程式5.32 ）。
11.3.2格构式塔架的阻力系数
用于与矩形格构式塔架的任何角度吹风的风力的基本公式为：
（11.1）
其中
D为在一个完整的塔面板部件上的牵引力（即 正方形塔的四个侧面）。
CD是整个塔段的阻力系数 - 这取决于面部的坚固性和风向。
AZ是塔的一个面的塔构件的投影面积。
为正在考虑的面板的平均高度z处的动态风压。
图11.1显示了风洞试验的风与吹到一个脸的实验值相比，澳大利亚钢格构式塔架标准中规定的CD值，AS3995（Standard Australia，1994）对于具有平面构件的方形截面，作为固体的函数。对于0.1至0.5的稳定范围，以下方程是合适的（来自Bayar，1986）。
CD=4.2-7(forlt;0.2) (11.2)
CD=3.5-3.5（for 0.2lt;lt;0.5） (11.3)
对于传输线结构，ASCE准则（2010）和CSIR建议（1990）给出了关于塔的面部任意任意风向theta;的格构式塔架的截面上的风阻力的方程式。
(11.4)
其中
Cdn1,Cdn2分别为垂直于塔的相邻面1和2的风的阻力系数。
An1,An2分别为面1和面2的总投影面积。
theta;为风相对于塔的正面1的入射角。
Ktheta;是一个风力产生因子（根据经验得出）。
(11.5)
其中为压缩比（for 0.2lt;lt;0.5）
ASCE准则（2010）给出了类似于公式11.4的形式，Ktheta;的形式略有不同。
格构式塔架的拖动也可以通过对每个部分的贡献求和来计算。 然而，这是一个复杂的计算，因为必须考虑不同的俯仰角和方位角对各种构件的影响。该方法也不容易解释部分和面部之间的干扰和屏蔽效应。
11.4高细长塔的风致响应特征
随机振动理论在具有分布质量结构的风致响应中的应用在5.3.6和5.3.7节中讨论。等效静载分布法对高层结构风致响应的应用描述在第5.4节。这些方法适用于本章涵盖的所有结构。然而，一个简单的阵风响应因子（第5.3.2节），其中单个乘数G应用于平均压力分布或来自其的结构响应，通常不以其最简单的形式适用于细长结构。需要修改以允许变化的阵风响应因子，这取决于需要负载效应的高度s。当使用动态响应因子方法时，类似的参数（第5.3.4节）。
两种效应随负载效应的高度导致阵风响应因子的增加：
- 当谐振分量随着高度s的增加而增加的弯曲模式形状增加。
- 由于阵风大小等于或大于结构顶部的高度和高度之间的距离（h-s）h在产生水平s的应力方面是完全有效的，底部贡献也随着高度的增加而增加。
对于细长塔的分析（Holmes，1994）给出了塔的任意高度s处的剪切力Gq和弯矩Gm的阵风响应因子的以下表达式：
(11.6)
(11.7)
其中
r是粗糙度因子（= 2Iu），即塔顶部纵向湍流强度的两倍（3.3.1节）。
Bs是反映高度S和塔顶之间波动负载相关性降低的背景因素（第4.6.6节）。
gB和gR是分别为背景和谐振分量计算的峰值因子（第5.3.3节）。
S是表示在塔的固有频率下评估的空气动力学导纳（第5.3.1节）的尺寸因子。
， 是指在塔的固有频率下评估的纵向湍流的光谱密度（3.3.4节）的无量纲形式。
eta;1是第一振动模式的临界阻尼比（这也应包括气动阻尼贡献）。
是取决于接近风的性质和塔的几何和动态特性的平均速度分布，锥度比，振型和质量分布的无量纲参数。它还取决于比（s/h），即需要剪切力和弯矩的高度等级s和塔顶部的高度之比。
通过对典型格构式塔架的等式11.6和11.7的评估（Holmes，1994），显示阵风响应因子与结构高度的值的增加通常在5-15％的范围内。
对于塔顶部的偏转x进行类似的分析，给出了等式11.6和11.7对于偏转的阵风响应因子Gx（Holmes，1996a）：
(11.8)
其中
Bo是在s等于0的Bs评估（由于在塔的整个高度上的相关性的降低是重要的，F10，F11和F12是附加的无量纲参数; F12是塔的无量纲刚度）。
从等式11.6,11.7和11.8可以看出，阵风响应因子取决于所考虑的负载效应的类型以及在其评估的塔上的高度。
对于细长塔和烟囱的沿风载荷和响应的另一种方法是5.4节中讨论的等效（或有效）静载荷分布方法（另见Holmes，1996b）。这种方法考虑到复杂形状的塔的高度上的尺寸形状和质量的变化。导出用于160米塔的有效静态风荷载分布的示例如图5.11和5.12所示。
11.5高斜度塔的横风响应
来自均匀或略微锥形截面的塔的正常涡流脱落的强度通常足够强以在横风方向上产生明显的动力。如果实心截面的细长塔的阻尼较小，则如果涡流脱落的频率与结构的固有频率一致，则可能会发生高振幅振动。这种重合的速度被称为临界速度。如果临界速度非常高，这在设计范围之外，则不会出现问题，因为谐振条件不会发生。相反，如果临界速度非常低，则空气动力学励磁力也将不会有问题。然而，如果临界速度落在10-40m/s的范围内，可能会发生显着的振动。
由于与相同横风宽度的正方形或矩形截面相比，圆形截面的涡旋脱落率较高，所以临界速度明显较低。细长塔或烟囱的横风响应计算方法分为两类：
1.基于正弦激励；
2.基于随机激发；
在以下章节中，描述了主要用于圆形横截面结构的方法。然而，原则上它们可以应用于任何（恒定）横截面的结构。
11.5.1正弦激励模型
假设涡街现象产生的圆柱接近正弦交风力可以链接到斯克拉顿和他的同事在20世纪50年代和60年代的工作（在斯克拉顿，1981年总结）。在原始配方中，激发力仅被视为一种负气动阻尼的形式，但这相当于施加力的正弦激励。这种模型对于发生大振荡的情况而言是好的，而脱落已被“锁定”到结构的横风运动（见5.5.4节）。
Rumman（1970）和Ruscheweyh也提出正弦激励模型（1990）。
与风力工程中的其他负载模型不同，正弦激励模型是确定性的，而不是随机的。正弦激励的假设导致也是正弦的响应。
为了得出由于涡流脱落引起交叉振动的结构振动的最大振幅的简单公式，将作如下假设：
bull;正弦交叉风力随时间变化
bull;力在他们行动的高度上的完全相关性
bull;恒定幅度波动的交叉风力系数
对于在湍流自然风中振动的结构，这些假设都不是非常准确的。然而，它们对于简单的初始计算是有用的，以确定涡流引起的振动是否是潜在的问题。
假设结构在第j种振动模式下振动（实际上j将等于1或2），因此公式5.17适用：
(5.17)
其中
Gj 是广义质量，等于
m(z)是沿结构单位长度的质量。
h是结构的高度。
Cj是模态阻尼。
Kj是模态刚度。
omega;j是第j个模式的自然无阻尼圆周频率
Qj(t)是广义力，等于，其中f(z,t)是每单位高度的波动力。
z1和z2是涡流脱落力起作用的高度范围的下限和上限。
在这种情况下，施加的力被假定为具有等于涡流脱落频率的频率的谐波（正弦曲线）ns。当n s等于结构的固有频率nj时，振动的最大振幅将发生在谐振。
因此，广义力量(第5.3.6节)给出:
其中
Qj,max是施加的广义力的幅度，由下式
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