通廊钢结构风振系数分析

钢结构　２０１１年第９期第２６卷总第１５０期　 通廊钢结构风振系数分析 李　峰 （宝钢工程技术集团有限公司，上海　２０１９００） 摘　要：通廊钢结构由于质量和外形有突变，故无法通过现有 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 计算其风振系数。采用随机振动理论算得通廊 结构的风振系数，结果表明支架风振系数可达２．０左右，通廊风振系数基本在１．３以下。最后，经过对通廊钢结构 自身特点的分析，得到支架的风振系数均可按ＧＢ　５０００９－２００１《建筑结构荷载规范》计算，通廊本身的风振系数，封 闭式可取１．３，开敞式可取１．１。 关键词：通廊钢结构；支架；风振系数 ＡＮＡＬＹＳＩＳ　ＯＮ　ＷＩＮＤ－ＩＮＤＵＣＥＤ　ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ　ＣＯＥＦＦＩＣＩＥＮＴＳ ＯＦ　ＳＴＥＥＬ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ　ＣＯＲＲＩＤＯＲＳ Ｌｉ　Ｆｅｎｇ （Ｂａｏｓｔｅｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２０１９００，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｎｅｖｅｎ　ｍａｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｗｉｎｄ－ｉｎｄｕｃｅｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｒｒｉｄｏｒｓ　ｆｏｒ　ｃｏｎｖｅｙｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ’ｔ　ｂｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｗｉｎｄ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｉｎ　ｒａｎｄｏｍ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ－ｉｎｄｕｃｅｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｒｕｓｓｅｓ　ａｒｅ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈａｎ　１．３ｂａｓｉｃａｌｌｙ　ａｎｄ　ｔｈｏｓｅ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｕｐ　ｔｏ　２．０．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｒｒｉｄｏｒｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ－ｉｎｄｕｃｅｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　Ｌｏａｄ　Ｃｏｄｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ（ＧＢ　５０００９－ ２００１），ａｎｄ　ｔｈｏｓｅ　ｏｆ　ｔｒｕｓｓｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　１．３ｆｏｒ　ｃｌｏｓｅｄ　ｃｏｒｒｉｄｏｒｓ　ａｎｄ　ｂｅ　１．１ｆｏｒ　ｏｐｅｎ　ｏｎｅｓ． ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｒｒｉｄｏｒｓ；ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ；ｗｉｎｄ－ｉｎｄｕｃｅｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ 作　者：李峰，男，１９７９年出生，工学博士。 Ｅｍａｉｌ：ｌｆ３７０１＠１２６．ｃｏｍ 收稿日期：２０１１－０３－２９ １　概　述 通廊钢结构由上料通廊和支架组成，其功能为 将生产原料（如铁矿石、焦炭等）通过皮带机输送到 指定加工地点，是工业企业中广泛应用的一类构筑 物。其特点是荷载大、跨度大，受风作用影响较大， 若在地震地区，尚应在计算中考虑地震作用。与一 般悬臂型结构，如构架、塔架、烟囱等建（构）筑物相 比，上料通廊结构存在质量和迎风面的突变，无法按 ＧＢ　５０００９－２００１《建筑结构荷载规范》给出的公式 进行计算，而按ＧＢ　５０００９－２００１中７．４．１条规定， 对于此类结构风振计算应按随机振动理论进行。应 用随机振动理论计算风振对结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 人员来说存在 一定困难，故本文对此问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 展开讨论，以期找到适合 结构设计人员的风振系数取值 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。 ２　风振系数的计算方法 ２．１　ＧＢ　５０００９－２００１中风振系数的表达式 ＧＢ　５０００９－２００１中７．４．２条规定：对于一般悬 臂型结构，ｚ高度处的风振系数βｚ 可按下式计算： 　　　　　　βｚ ＝１＋ξ νφｚ μｚ （１） 式中：ξ为脉动增大系数；ν为脉动影响系数；φｚ 为 振型系数；μｚ 为风压高度变化系数。 式（１）中，系数ν、φｚ 都是以质量和外形沿高度 方向均匀变化的高耸结构为模型而得到的，故 ＧＢ ５０００９－２００１只适用于具有连续变化外形和质量的 结构。由于上料通廊结构质量和外形有突变，故荷 载规范的表格或规定不包括此类结构的风荷载计 算。 ２．２　ＧＢ　５０１３５－２００６《高耸结构设计规范》中风振 系数的规定 自立式高耸结构在ｚ高度处的风振系数βｚ 可 按下式确定［２］： 　　　　　　　βｚ ＝１＋ξ１ε１ε２ （２） 式中：ξ１ 为脉动增大系数；ε１ 为风压脉动和风压高 ０２ 科研开发 Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１１（９），Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．１５０ 度等的影响系数；ε２ 为振型、结构外形的影响系数。 式（２）中的系数ε１ 、ε２ 也同样是以质量和外形沿高 度方向均匀变化的高耸结构为模型而得到的，因此 同样不适合用于上料通廊结构的风振系数计算。 ２．３　按随机振动理论计算风振系数的方法 结构ｚ高度处集中风荷载Ｐ（ｚ）由静风荷载和 脉动风荷载两部分组成，定义风振系数βｚ 为静动力 风荷载Ｐ（ｚ）与静风荷载Ｐｃ（ｚ）的比值，Ｐ（ｚ）＝ Ｐｃ（ｚ）＋Ｐｄ（ｚ），Ｐｄ（ｚ）为ｚ高度处的脉动风荷载， 则： β（ｚ）＝ Ｐｃ（ｚ）＋Ｐｄ（ｚ） Ｐｃ（ｚ） ＝ １＋Ｐｄ （ｚ） Ｐｃ（ｚ） （３） 对于多自由度体系，如果只考虑第１振型，则： Ｐｄ（ｚ）＝ｐｄ１（ｚ）ｈ（ｚ）＝ｍ（ｚ）ｈ（ｚ）（２πｆ１）２φ１（ｚ）ｇσｙ１（ｚ） （４） 故： β（ｚ）＝１＋ ｍ（ｚ）ｈ（ｚ）（２πｆ１）２φ１（ｚ）ｇσｙ１（ｚ） μｓμｚｗ０Ａ（ｚ） （５） 迎风面积为：Ａ（ｚ）＝ｈ（ｚ）Ｂ（ｚ） （６） 式中：ｈ（ｚ）和Ｂ（ｚ）为ｚ高度处与集中风荷载有关 的高 度 和 迎 风 面 宽 度；ｇ 为 峰 值 保 证 因 子， ＧＢ　５０１３５－２００６中取２．２；ｍ（ｚ）为高度ｚ处单位长 度的分布质量；φ１（ｚ）为第１振型ｚ高度处的坐标； σｙ１（ｚ）为第１振型位移响应根方差；ｆ１ 为第１阶自 振频率；μｓ结构体型系数；μｚ 为风压高度变化系数； ｗ０ 为基本风压。式（５）可表示为： 　　　β（ｚ）＝１＋ ｇＭ（ｚ）σａ（ｚ） μｓμｚｗ０Ａ（ｚ） （７） 式中：σａ（ｚ）为ｚ高度处的加速度根方差；Ｍ（ｚ）为ｚ 高度处的集中质量，Ｍ（ｚ）＝ｍ（ｚ）ｈ（ｚ）。 根据结构风振响应的时程分析结果，由式（７）可 以计算得到结构各集中力风荷载处的风振系数。 ３　上料通廊钢结构风振系数计算 ３．１　分析模型 为研究上料通廊钢结构的风振系数，结合图１所 示的工程实例进行分析。图１所示的封闭式通廊系统 建筑结构安全等级为二级，设计使用年限为５０年，建 筑抗震设防类别为丙类，基本风压为０．６０ｋＮ／ｍ２，基本 雪压０．３５ｋＮ／ｍ２，通廊走道活载２．５ｋＮ／ｍ２，皮带机活 载４．０ｋＮ／ｍ，抗震设防烈度为７度，设计地震分组为 第一组，场地类别Ⅱ类，设计基本地震加速度值为 ０．１０ｇ，场地特征周期０．３５ｓ，通廊倾角为８．６°。经初步 计算，通廊上下弦杆件、立面及上表面直腹杆均取 ＨＷ２００×２００，立面及上表面斜腹杆取└１２５×８，通长 的皮带落脚梁取ＨＮ２００×１００，为研究不同支架高度风 振系数的区别，支架１的高度分别取２０，３０，４０ｍ，对应 的柱截面分别为Ｈ６００×３５０×１６×２５、Ｈ７００×４００×１６ ×３０、Ｈ９００×４００×１６×３０，水平杆为 ＨＷ２００×２００和 ＨＷ２５０×２５０，斜腹杆为ＴＮ２００×２００和ＨＷ２００×２００。 图１　某通廊系统结构布置 利用有限元软件ＡＮＳＹＳ对图１所示上料通廊 系统做结构风荷载时程分析，其简化模型如图２所 示，所有杆件均用Ｂｅａｍ　１８８单元模拟。 ３．２　风荷载模拟 目前，模拟脉动风速的方法主要有３种：线性滤 波法，谐波叠加法及小波法。线性滤波法中的自回 归（Ａｕｔｏ－Ｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅ，ＡＲ）模型因其计算量少、速度 快而广泛用于随机振动的时间序列分析中。本文基 于 ＭＡＴＬＡＢ，采用 ＡＲ模型对垂直通廊长度方向 的风荷载进行模拟［４］，风速谱采用Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ谱，自 相关函数采用Ｓｈｉｏｔａｍｉ建议的相关函数，图３给出 了地面粗糙度类别Ｂ下２０ｍ高支架顶的风速时程 曲线。 １２ 李　峰：通廊钢结构风振系数分析 钢结构　２０１１年第９期第２６卷总第１５０期　 ａ－支架高２０ｍ；ｂ－支架高３０ｍ：ｃ－支架高４０ｍ 图２　通廊系统ＡＮＳＹＳ分析模型 图３　２０ｍ高支架顶风速谱（地面粗糙度类别Ｂ） 　　得到结构的脉动风速时程后，就可以采用公式 （８）计算各点的脉动风荷载。由于脉动风速的平方 项ｖ２ｆ（ｚ，ｔ）与２珔ｖ（ｚ）ｖｆ（ｚ，ｔ）相比较，可忽略［５］，此 时，风荷载为Ｇａｕｓｓ模型。 Ｆ（ｚｉ，ｔ）＝ ［１２ γ ｇ 珔ｖ２（ｚｉ）＋１２ γ ｇ ·２珔ｖ（ｚｉ）ｖｆ（ｚｉ， ｔ）］μｓＡｆ （８） 式中：μｓ 为体型系数；Ａｆ 为结构迎风面净面积； 珔ｖ（ｚ）为平均风速；ｖｆ（ｚ，ｔ）为脉动风速；γ为空气重 度；ｇ为重力加速度。 模拟得到的风荷载按面积分配到通廊及支架的 节点上，由于上料通廊有时会建在临海临江处，故分 别考虑Ａ类和Ｂ类地貌下，上料通廊系统风振系数 的差别。 ３．３　风振系数计算 根据模拟的脉动风荷载时程数据，利用有限元 分析软件ＡＮＳＹＳ对上料通廊系统做瞬态分析，在 计算结果中提取计算点的加速度时程，进而得到计 算点的加速度根方差σａ（ｚ），将计算点的加速度根方 差σａ（ｚ）及其他各参数数据代入式（７），算得结构的 风振系数β（ｚ）。 ４　计算结果 ４．１　自振特性 垂直于通廊长度方向的结构水平第１阶自振频 率如表１所示。 表１　通廊系统结构自振特性（第１阶） 支架高／ｍ 频率／Ｈｚ 周期／ｓ ２０　 ３．２０　 ０．３１ ３０　 ２．４０　 ０．４２ ４０　 １．８２　 ０．５５ ４．２　风振系数 结构阻尼比按 ＧＢ　５０００９－２００１ 条文说明 ７．４．２－７．４．６取０．０１，按随机振动理论计算得到的 风振系数如表２所示。 表２　通廊系统风振系数βｚ 地貌类型 通廊形式 支架高２０ｍ 通廊 支架 支架高３０ｍ 通廊 支架 支架高４０ｍ 通廊 支架 Ａ类 封闭式 开敞式 １．１６ １．０５ １．３０ １．１０ １．１６ １．０５ １．４６ １．１６ １．１７ １．０６ １．４８ １．１８ Ｂ类 封闭式 开敞式 １．２６ １．０８ １．４９ １．１６ １．２８ １．０９ １．８５ １．２９ １．２９ １．１９ １．９６ １．３２ 　　按 ＧＢ　５０００９－２００１计算得到的支架风振系 数，如表３所示。 表３　按ＧＢ　５０００９－２００１计算的支架风振系数βｚ 地貌类型 支架高２０ｍ 支架高３０ｍ 支架高４０ｍ Ａ类 １．９３　 １．９４　 １．９５ Ｂ类 ２．１２　 ２．１１　 ２．１０ ４．３　结果分析 １）随着通廊支架高度的增加，风振系数逐渐变 大；但支架高度为２０～４０ｍ时，通廊风振系数变化 幅度不大，支架本身的风振系数变化较为明显，但由 （下转第１９页） ２２ 科研开发 Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１１（９），Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．１５０ 到的值为ｋ，若ｋ大于１，表明公式（１７）偏于安全；若 ｋ小于１，表明公式（１７）偏于不安全。采用有限元进 行了９０７个算例的计算，将计算结果代入公式（１７） 左边，计算得到的ｋ的平均值为１．００３　３， 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差为 ０．０４２　１，因此简化算法与有限元吻合良好，可供实 际工程参考。 ４　结　论 １）理论解析表明，考虑楔率、约束和剪切变形影 响后，可将楔形变截面钢管格构柱极限承载力的计 算转化为等效的等截面钢管格构柱极限承载力的计 算。 ２）通过有限元计算结果拟合，得到以楔率表达 的变截面钢管格构柱楔率影响系数。双重非线性分 析表明，楔形变截面钢管格构柱稳 定 系 数 在 ＧＢ　５００１７－２００３规范ｂ类截面稳定系数曲线附近， 高于ｃ类截面稳定系数曲线，偏于安全考虑可采用ｃ 类截面稳定系数曲线。 ３）对变截面钢管格构柱轴力 －弯矩相关曲线的 研究表明，变截面钢管格构压弯构件与等效的等截 面钢管格构压弯构件轴力、弯矩相关曲线吻合良好。 因此可按式（１７）计算变截面钢管格构压弯构件的极 限承载力。 参考文献 ［１］　邓科．梭形变截面轴心受压柱的稳定性能与设计方法研究 ［Ｄ］．北京：清华大学，２００５． ［２］　成瀨泰雄．鋼管構造［Ｍ］．东京：森北出版株式會社，１９７６． ［３］　杨靖波，李茂华，杨风利，等．我国输电线路杆塔结构研究新进 展［Ｊ］．电网技术，２００８，３２（２２）：７７－８３． ［４］　郭彦林，陈国栋，兰勇．三管梭形钢格构柱稳定极限承载力研究 ［Ｊ］．建筑结构学报，２００２，２３（５）：２５－２９． ［５］　兰勇，郭彦林，陈国栋．梭形钢管格构柱弹性屈曲性能［Ｊ］．建 筑结构学报，２００２，２３（５）：１８－３０． ［６］　Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ　Ｓ　Ｐ．Ｇｅｒｅ　Ｊ　Ｍ．Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｅｌａｓｔｉｃ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ［Ｍ］． 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