风致诱导振动讲解
高耸塔器风致振动的现场实测与疲劳分析
高耸塔器风致振动的现场实测与疲劳分析徐乐;谭蔚;贾占斌;杜怡安;樊显涛【摘要】The field measurement and fatigue calculation and analysis of a wind-induced vibration of a 75m-high rectifying tower were implemented, including making use of wireless dynamic strain gage and random dec-rement method to get modal parameter of the tower and adopting high-speed static strain indicator to measure the tower' s stress strain in vibration.Results showed that, the tower can resist the vibration damage caused by the across-wind resonance.Calculating and analyzing this wind-induced vibration through combining the code stipulation with field measurement can accurately evaluate the across wind-induced fatigue damage to the tower suspended or in maintenance condition.This method can provide a reference for analyzing wind-induced tower vibration.%针对某一高度约为75m的精馏塔在检修时的风致振动进行了现场实测和疲劳计算分析.利用无线动态应变仪,结合随机减量法获得塔器的模态参数,利用高速静态应变仪测得塔器振动时的应力应变.结果表明,该精馏塔在检修状态下可以抵抗横风向共振引发的疲劳破坏.采用现场测试与标准相结合对塔器风致振动进行计算分析,可以较为准确地评估空塔或检修条件下塔器横风向振动可能引起的疲劳破坏,该研究方法可为塔器风致振动分析提供参考.【期刊名称】《化工机械》【年(卷),期】2017(044)006【总页数】5页(P686-689,704)【关键词】高耸塔器;风致振动;现场实测;疲劳分析【作者】徐乐;谭蔚;贾占斌;杜怡安;樊显涛【作者单位】天津大学化工学院;天津大学化工学院;天津大学化工学院;天津大学化工学院;天津大学化工学院【正文语种】中文【中图分类】TQ053.5塔器是化工行业中典型的高耸设备，一般安装在室外，在工作时会同时受到顺风向与横风向风荷载的作用。
风致诱导振动讲解
二、塔设备的振动
两种
顺风向振动
横向振动 （风致诱导振动）
三、风致诱导振动机理
（1）诱导振动的流体力学原理（卡曼漩涡）
风速与风压的变化
风速： 迎风侧：B点风速为0，B到C风速不断增加； 背风侧：C到F风速不断减小
风压： 与风速正好相反，B点最高，B到C风压不 断降低；C点到F点，其压力不断升高
边界层的堆积
所以当旋涡脱落的频率与它的任意振型的固有频率一致时，塔就会产生共振。
fv
Sr
D
思考：
如何防振？
四、塔设备的防振措施
如果塔设备产生共振，轻者使塔产 生严重弯曲、倾斜，塔板效率下降，影 响塔设备的正常操作，重者使塔设备导 致严重破坏，造成事故。
由于直立高耸设备安装就位后的裸 塔极易发生振动,给装置的安全运行带来 隐患。所以必须采取一定的防振措施。
➢ 高鸿海， 姜锦玲 塔振动与卡曼旋涡的解决办法 .英文刊名： GANSU SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)： 2005,21(6)
➢ 郑津洋.董其伍.桑芝富.过程设备设计.第三版
➢ 百百科
结束
谢谢！
塔设备的风致诱导振动机理及工 程防振措施
一、团队分工介绍
组长：李辉 PPT制作：许静 PPT顾问：陈聪 PPT优化：邹远辉、彭志权 资料收集： 振动机理部分：李辉、陈聪、黄佳平、
曹奇敏、曾世荣 防振措施部分：鲁钊、江生林、张建
Content
一、团队分工介绍 二、塔设备的振动 三、风致诱导振动机理 四、塔设备的防振措施 五、参考文献
当一侧漩涡脱落后，另一沿风向的垂直方向产生振动，称之为横向振动。显 然，其振动的频率就等于旋涡形成或脱落的频率。
塔器振动产生的原因及防振措施
塔器振动产生的原因及防振措施张银顺【摘要】高径比较大的塔式容器在受地震载荷和风载荷作用时对设备本体的受力将会产生较大影响,其产生的弯曲应力有可能会超过设备本身的压力载荷成为影响设备安全运行的主要载荷.另外,横风向风力作用产生的设备共振对于高径比较大的设备也是影响其安全的主要因素.对塔设备横风向共振产生的原因进行一个简单的概述,并通过对两台高径比不同塔式设备简单的共振计算来对产生共振的倾向性进行对比分析,并提出必要的防振措施.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2017(030)005【总页数】3页(P102-104)【关键词】塔器;风载荷;风振;临界风速【作者】张银顺【作者单位】兰州兰石重型装备股份有限公司,甘肃兰州 730314【正文语种】中文【中图分类】TH49塔式容器[1]是化工及炼油装置中重要的设备种类之一，主要完成生产中热量、能量、质量等的传递和反应等用途。
其主要由筒体、封头、裙座、塔内件及各种附件等组成，一般以裙座独立支承的方式置于装置内。
塔器所受载荷及受力方式也与一般容器有很大的差别，当地震载荷及风载荷这些变量载荷加载于设备上时，除了这些侧向载荷在塔壳和裙座壳截面中产生弯曲应力外，还有一个特征就是这些载荷会使结构产生加速度而使设备产生振动，高径比越大的塔式设备受这些载荷的影响也愈大。
在塔式容器的应用中无论设计方还是使用方都在尽力避免塔器发生共振，因为塔式设备一旦发生共振对其本身的危害性是十分严重的，轻者发生管线法兰泄漏、地脚螺栓松动等问题，严重时则会发生设备失效，装置无法正常运行的情况，甚至出现设备发生疲劳破坏导致设备出现严重事故等问题。
本文简述塔器振动产生的原因及如何避免等问题。
室外放置的独立、高耸塔式设备在风力作用下将会产生振动方向与风的流向一致的顺风向振动及振动的方向与风的流向垂直的横风向振动。
顺风向风力有平均风和脉动风两种[2]，这两者作用在设备上所产生作用力的性质是不同的，在常规设计中平均风的作用按静载荷来考虑，但脉动风所产生的载荷为动力载荷，设备在脉动风作用的产生的振动称为结构风振，由此可认为顺风向产生风振的主导因素为脉动风。
V2第七讲：典型风致振动类型
美好的回忆☆刚性模型测压试验主要试验设备及原理，刚性模型测压试验原理及方法☆刚性模型测力试验测力天平及其原理基本测试数据处理☆气动弹性模型试验简介美好的回忆风工程概论主讲人：马文勇第七讲：典型风致振动现象The Introduction of Wind Engineering闲话振动人类所能感知的世界中有静止的物质吗？物质世界中有绝对参考系吗？其实我们可以感知的世界可能也许大概只是其中的及其微小的一部分，所以无论如何，我们要首先承认自己相当无知的运动（或者波动）是存在的必然或者说唯一形式吗？倘若有绝对静止的物质，我们如何感知它的存在？以下部分纯属讨论但是大家无需悲观，即使研究这其中及其微小的一部分，也是充满了乐趣并且是及其有意义的！例如这及其微小的一部分中的微乎其微的一个方向，风致振动！闲话振动光闲话振动声闲话振动味为什么说曹操曹操就能到？偶然，巧合科学家们相信这个世界上没有偶然概述☆来流作用在结构上引起的结构的振动现象称为风致振动结构为什么会振动，何为振动？为什么风会引起结构的振动？风是如何引起结构振动的？概述☆什么是振动？在自然界、工程技术、日常生活和社会生活中普遍存在着物体的往复运动或状态的循环变化，这类现象称为振荡（Oscillations），振动（Vibrations）是一种特殊的振荡，即平衡位置微小或者有限的振荡。
～～《非线性振动》刘延柱、陈立群编写结构振动概述☆结构为什么会振动？该问题等同于问鸡为什么会下蛋，任何结构都是有特定的振动能力或者潜力！问题在于能不能、靠什么东西来激发它，或者能不能、靠什么方式来阻止它！概述概述概述概述概述概述概述概述☆什么因素有可能引起结构的振动？地震风海浪雨雪等自然条件行车设备撞击其他人类活动结构振动MKx f22d x dxM C Kx f dt dt++=0df dt =Kx f=00K C ==22d xM f dt =00K C =≠d x dxMC f dt dt+=00K C ≠=22d xMKx f dt +=22d x dxM C Kx f dt dt++=M ，C ，K结构振动220d xM Kx dt +=cos()x A t ωφ=+2cos()cos()0MA t KA t ωωφωφ-+++=2cos()cos()0M t K t ωωφωφ-+++=K Mω=220d x dxMC Kx dt dt++=000M C K >>>稳定M orC orK <<<不稳定结构振动分类的标准是荷载对结构参数影响的分类结构振动22wd x dxM C Kx f dt dt++=w f 对M 、C 、K 无任何影响w f 改变了结构参数或者结构运动改变了强迫w f 气动刚度气动质量气动阻尼212342w d x dxf a a a x a dt dt=+++()()()212342d x dxM a C a K a x a dt dt-+-+-=自激结构振动☆来流作用在结构上引起的结构的振动现象称为风致振动来流的状态结构的状态顺风向，横风向的一般规定风致振动的分类☆按照结构机制分类抖振（Buffeting）涡激振动（Vortex-excited vibration ）驰振（Galloping ）颤振（Flutter）斜拉索风雨振（Rain-wind induced vibration）等其他已知及未知的振动形式结构振动抖振是来流中的脉动风速分量作用在结构上产生的一种强迫振动形式。
《风致振动简述》课件
案例二：聚集生产用厂房风致振动控制方法 探讨
探讨对聚集生产用厂房进行风致振动控制的方法和效果， 以案例为基础进行分析。
结论
1 风致振动的重要性和应对措施
总结风致振动的重要性，提出应对措施和建议，保障建筑物和人体的安全与健康。
2 未来发展趋势
2 横向方向振动
横向方向振动是指结构物或人体在风力作用下在水平方向上发生的振动。
风致振动的影响
对建筑物结构的影响
风致振动会对建筑物的结构造成损害，可能导致倒塌或功能受限。
对人体的影响
风致振动会对人体的健康和舒适性造成影响，可能引起不适和不安。
风致振动的监测与评估
监测方法详细介绍
了解风致振动的监测方法，包括使用传感器、数据采 集和分析等技术。
展望风致振动领域的未来发展趋势，包括新技术和方法的应用。
《风致振动简述》PPT课 件
风致振动简述 - 了解风对建筑物和人体造成的影响。
概述
什么是风致振动？
风致振动指的是风力引起的结构物或人体周围空气 流动引起的振动现象。
风致振动的来源和产生原因
风致振动的主要来源是风力对结构物产生的作用力 和结构物自身固有的振动特性。
振动分类
1 垂直方向振动
垂直方向振动是指结构物或人体在风力作用下在垂直方向上发生的振动。
评估标准和方法
介绍评估风致振动影响的标准和方法，包括国际和国 内相关标准。
风致振动控制
1
控制策，如增强结构刚度和减轻结构质量。
2
设计控制措施的流程
介绍设计风致振动控制措施的流程，从风环境评估到方案设计的全过程。
风致振动案例分析
案例一：大型建筑物风致振动监测和评估
桥梁风致振动综述
桥梁风致振动综述摘要：桥梁，作为一种连接构造物，从古至今扮演着跨越天堑、连接通达的重要角色。
从最开始的天然桥梁，到慢慢出现的石拱桥，到梁桥板桥，再到现代桥梁结构，桥梁的发展历史悠久，并且成果斐然。
但是在发展的过程中，不可避免的遇到了很多问题，这些问题有些被攻克解决了，还有一些仍未能被人类精确地理解和研究，仍在威胁着桥梁的安全。
本文主要讨论大跨度桥梁的风致振动问题与抗风设计方法。
关键词：桥梁风致振动，大跨度桥梁，桥梁抗风设计一、大跨径桥梁的轻柔化在了解风致振动、风工程之前，我们先要了解，风究竟是什么呢？风是大气边界层内空气流动现象, 并且其流动的速度和方向具有随时间和空间随机变化的特征。
在研究风对桥梁的作用时, 通常把风处理为在一定时距内不随时间变化的平均风和随时间随机变化的脉动风速两部分。
风作用于桥梁结构时, 由风的压力作用形成对结构的风荷载, 同时, 风还会引起桥梁的颤振、驰振、抖振和涡激振动等各种形式的振动。
20世纪，大跨径桥梁得到了发展，然而在这些发展初期，风致振动稳定并没有成为大跨径桥梁的重要控制因素。
直到1940年11月，位于美国华盛顿州、仅建城4个月的塔科马（Tacoma）大桥，在风速甚至不足20m/s的风下，发生了破坏。
这场破坏举世震惊，也第一次让工程师们认识到风对于大跨径桥梁的重要作用。
那么为什么，大跨径桥梁对风的敏感性这么高呢？这里我们要从大跨径桥梁的轻柔化说起。
为了减轻自重，增强跨越能力，比起传统混凝土桥梁，大跨径桥梁通常采用钢结构、钢混组合、结合结构等。
我们知道，钢材料的阻尼（damper）要小于混凝土，那么大跨径桥梁材料的基频也较小，通常为0.08Hz左右，而风的卓越频率在0.1Hz左右，二者比较相近，易产生共振；而相应的，地震卓越频率在1Hz左右，不易于大跨径桥梁产生共振。
这就解释了为什么大跨径桥梁对风作用敏感、对地震作用较不敏感，而小跨境桥梁恰恰与之相反。
二、风工程风工程（wind engineering）是指与自然风有关的生活或工业应用设施等主要涉及自然风的流体力学特性和设施的结构力学特性。
风力机叶片顺风向风致振动研究
式 中的对角项 为各 点的 自功率谱 密度 ， 由已知 的风 速 谱得 到 ， 非对 角 项 为互 功 率谱 密 度 ， 是各 点 脉 动
机 状 态 下 的 叶 片极 限位 移 最 不利 情 况 。 后 指 出本 文 的 方 法 是 一 般 性 的 ， 用 于 风 力 机 叶 片 与 塔 架 的 耦 合 分 析 。 最 可
关键 词 ： 致 振 动 ； 风 随机 振 动 ； 渡 叠 加 法 ； 力 机 叶 片 谐 风
中 图分 类 号 ： ２ ； ２ Ｏ３ ４Ｏ３ ７
第４ ３卷 第 ５期
２１ ０ １年 １ Ｏ月
南 京
航
空
航
天
大
学 学 报
Ｖ ｏ ．４ ｏ．５ １ ３Ｎ ０Ｃ． ２ １ ｔ ０１
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＮａ ｊ ｇ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｆ ｒ ｎ ｕ ｉｓ＆ Ａｓｒ ｎ ｕ ｉｓ ｏ ｒ ａ ｎｉ ｉ ｓｔ ｏ ｏ ｔｏ ａ ｔ ｃ ｎ ｅ ｙ Ａｅ ｏ ａ ｔ ｃ
ｌ ５ Ｓ（ ）一 ｌ Ｌ Ｓ
Ｓ２（ ２ ∞）
Ｓ ） （
（） ２
和 时域两 个 角度 估算 风力 机 叶 片 以及 风 力 机 的极
限位移 。 文首先 讨论 了脉 动风在频 域 与时域 上的 本
Ｓ （ｕ ２ ｃ）
Ｓ 叫 （ ）
处理方 法 。 在频域 上直 接用 风功率谱 获得 位移 功率
这种 划分 ， 风工 程上通 常把 风分 为平均 风和脉 动风 两个 部分 来研究 口 。平 均 风就 是长 周期 的部 分 ， ］ 一 般认 为在 给定 的时 间段 内 ， 速和方 向不变 。平 均 风
第十四讲 桥梁风致振动分析
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
第五节 风振性能检验
5.1 风振稳定性
(1) 驰振临界风速 (2) 扭转颤振临界风速—
* 变号 A2
(3) 耦合颤振临界风速—竖弯和扭转耦合 (4) 涡激共振锁定风速
5.2 风振强度
(1) 抖振引起的强迫力荷载 (2) 涡振引起的自激力荷载 荷载最不利组合
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
第四节 静风性能验算
4.1 静风稳定性—扭转发散
(1) 二维计算模型 (2) 三维计算模型 扭转发散临界风速
4.2 静风强度
(1) 平均风荷载 (2) 脉动风荷载 荷载最不利组合问题
4.2 静风刚度
(1) 侧向静风位移 (2) 竖向静风位移 (3) 扭转静风位移(较小)
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
5.3 风振刚度
(1) 抖振位移 (a) 随机振动分析方法 (b) 节段模型试验法 (c) 全桥模型试验法 (2) 涡振位移 (a) 理论模型计算法 (b) 节段模型试验法 (c) 全桥模型试验法
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
第六节 抗风性能改善
大多数情况下气动导数值
H i*和Ai* (i = 1, 2 , 3, 4 )
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
第三节 动力特性分析
3.1 结构计算模型
(1) 按施工阶段划分(缆索承重桥梁) (a) 桥塔自立状态 (b) 主要拼梁状态 (c) 全桥成桥状态 (2) 按主梁离散划分 (a) 单梁式 (b) 双梁式 (c) 三梁式
λ — 衰减系数， λ = 7 ~ 21
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
一套完整的高耸塔设备风诱导振动分析设计体系 - dzy
权利要求书1.一套完整的高耸塔设备风诱导下振动分析设计体系。
主要包括振动分析、谐响应分析和强度分析。
该方法能够灵活、有效的减缓由风诱导的高耸塔设备的振动问题，保证高耸塔设备的安全使用，并尽可能的减小风诱导下产生的顺风向、横风向振动以及引起的共振。
同时通过本项目的研究和推广应用，为新标准或新方法的制订提供技术依据。
2.如权利要求1所述的一套完整的高耸塔设备风诱导下振动分析设计体系，其特征在于包括以下步骤：（1）结构动力特性和风诱导振动有限元分析。
采用有限元分析软件ANSYS建立高耸塔设备的三维实体模型和有限元模型，并利用模态分析的方法对结构进行自振特性分析，以此来获取结构的动力特性参数，主要包括各介固有频率、振型、模态质量等。
在此为基础，对未加控制装置的高塔结构进行振动分析，以确定其是否需要进行风诱导下振动分析。
（2）确定最佳的TMD减振控制系统形式，并选取最优的系统参数。
对TMD系统控制下结构的风诱导振动利用ANSYS进行有限元分析，对各种控制方案的控制效果进行分析比较，并综合考虑控制效果和经济效益，从而选定最佳的控制系统模型，确定最优的系统参数。
（3）对TMD系统抗风振效果进行评估。
对装有TMD系统高塔设备的实际抗风振效果进行测试与评定，并分析其稳定性与可靠性，对达不到抗风振要求的设备，对TMD系统的参数进行调整和优化，并重新评估和计算，直至达到要求。
3. 如权利要求2所述的一套完整的高耸塔设备抗振动分析设计体系，其特征在于所述的步骤（2）中，利用谐响应分析研究TMD控制系统各参数与风振控制参数（共振振幅、位移、加速度）的关系并获得关系曲线图，从而确定TMD 减振控制系统形式（包括TMD 的位置和布置形式）以及最优的系统参数（包括TMD 系统的质量opt M 、频率opt f 、阻尼比opt 、弹性刚度opt K 和阻尼系数opt C ）。
说明书一套完整的高耸塔设备抗振动分析设计体系技术领域本发明涉及振动控制领域，具体涉及一套完整的高耸塔设备抗振动分析设计体系。
大型水平轴风力机塔架的风诱发振动响应
( 13)
满足上述风剖面和基波振型的正弦脉动响应的均方根值与平均响应的关系为[ 10 ]
) 1 2u s (x ) ( 14) Φ 式中, R 、 背景激发因子、 尺度缩减因子、 阵风能量因子和 B、 S r、 F 和 Φ分别为表面粗糙度因子、 1 2 1 2 ) 为共振动响应, R 、 阻尼系数, R B 为非共振动响应, R (S r F Φ B、 S r 和 F 这四个因子可由文 = R (B + [ u s (x ) - u s (x ) ]2
l
为幂次风剖面指数[ 8 ]。 假设定态风作用在塔架单位长度上的阻力不随时间变化, 为
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2期 窦修荣等: 大型水平轴风力机塔架的风诱发振动响应
∫
F =
2
D 2 ( qA ) 2 C F 2Π V D 2 ( qA ) 2 C L F 2Π V
F (S ) d Ξ ∫
0
∞
( 3)
升力和阻力分别为
FL =
2 D 2
D ( qA ) 2 F = 2Π V
F ∫ C F ∫
0 2 DF
∞
L
(S ) d Ξ ( 4) (S ) d Ξ
i= 1 n n l 1 ϖ2 2Α Θ V ( l) Υ D (x ) CD (x ) x Υ i (x ) i (x ) d x 0 2
si
(x ) =
∑
i= 1
∫ M Ξl Υ (x ) dx ∫
i 2 2Α i
l
0
塔设备的振动
固有周期的求解思路 振动微分方程
设通解
由边界条件
定通解
求得固有周期
14
图7-71 计算模型
15
第一振型 第二振型 第三振型 图7-72 塔设备振型
16
⒈ 等截面塔: 直径、壁厚、材质相同, 质量沿高度均布 由振动方程：
4 y m 2 y 0 4 2 x EI t
m H4 T1 1.79 EI
H 或D f c (与工艺结合)
⑵增大塔的阻尼: a.塔盘上的液体或塔内的填料→使塔阻尼↑,Y↓ b.设置弹簧阻尼器; c.塔壁上悬挂外裹橡胶的铁链条. ⑶采用扰流装置:a.合理布置塔体上的管道、平台、扶梯和 其它的连接件→消除或破坏卡曼旋涡的形成; b.塔外装轴向薄翅片、挡板、螺旋板 →防止旋涡形成
22
公式缺点:只能计算第一振型的自振周期 ( 为什么? )
一般塔的T1=1~10s 之间
18
多自由 度体系 折算后的 单自由度 体系
图7-73
不等直径或不等壁厚塔的计算
19
三、塔设备的防振 ⒈ 共振的危害: 轻者使塔产生严重弯曲、倾斜，塔板效率下降， 影响塔设备的正常操作； 重者使塔设备导致严重破坏，造成安全事故。
因此，在塔的设计阶段就应避免共振的发生。
⒉ 规定: 为了防止塔的共振, f v 不得在如下范围内
0.85 f c1 f v 1.3 f c1
(7-50)
20
⒊ 如果激振频率f v 在式(7-50)的范围内，则应采取相应的措施: ⑴增大塔的固有频率: 塔 I f c 成本 ;
2
风以一定的
速度绕流圆
B A C D 塔设备周围
柱形塔设备，
的风速是变
桥梁风致振动-驰振讲解
m y c y ky 0
，
..
.
其中
dCL 1 c c UB CD 2 d
,
上式第一项为结构阻尼系数，第二项为空气动力阻尼系数。 由结构动力学知识，当阻尼系数
c ,>0时系统趋于稳定，c ,<0时趋于不
d
dCL 稳定。因为c通常为正值，所以只要当 <0 C D
2）辅助索刚度对面内制振效果的影响
随着辅助索刚度的增加，暂态主缆的1阶竖弯频率和等效阻尼比均呈增 大的趋势。
3）辅助索个数对面内制振效果的影响
辅助索均采用5mm的钢筋，阻尼系数均取0.01，工况1~3分别对应7 组8等分，9组10等分，11组12等分
随着辅助索数目的增大，暂态主缆的1阶竖弯频率和等效阻尼比均 有增大。
CD
D 1 U 2 HL 2
CL
L 1 U 2 BL 2
CM
M 1 U 2 B 2 L 2
式中：D、L、M分别表示风轴坐标系下断面的阻力、升力和扭矩；空 3 气密度 1225kg / m ；U表示无穷远处来流风速；L、H和B分别表示节段模 型长度、高度和宽度。 参考公路桥梁抗风设计规范主梁静力三分力风洞试验参数的设定，本 文暂态主缆三分力系数数值模拟在均匀流场条件下进行，攻角范围取10°~+10°，攻角变化步长取1°。
5.控制措施
考虑施工可行性，采用在暂态主缆和猫道间用辅助索加以连接来抵抗暂态主 缆的风致驰振失稳。
辅助索是实桥上拉索采用的防止或抑制拉索风致振动的方法之一，是通过增 加拉索的刚度从而提高拉索的振动频率，避免低频率的风致拉索振动。具体 措施是将拉索之间用辅助索相互连接，形成一个索网体系。
第七章-6 塔设备的振动
过程设备设计
横向振动
阻力大(静压强高,旋涡形成并长大)一侧 产生一垂直于风向的推力. 当一侧旋涡脱落后,另一侧又产生旋涡,产 生一垂直于风向,与上述方向相反的推力,使塔 设备在沿风向的垂直方向产生振动,称之为横向 振动.
振动频率——等于旋涡形 成或脱落的频率.
15
7.6 塔设备的振动
过程设备设计
二,升力 升力——由旋涡交替产生及脱落而在沿风向的垂直方向产生 的推力称为升力.
24
7.6 塔设备的振动
过程设备设计
二,采用扰流装置
合理地布置塔体上的管道,平台,扶梯和其它的连 接件可以消除或破坏卡曼旋涡的形成. 沿塔体周围焊接一些螺旋型板可以消除旋涡的形成 或改变旋涡脱落的方式,从而达到消除过大振动的 目的.此方法在某些装置上已获得成功. 螺旋板焊接在塔顶部 1/3塔高的范围内,它的螺距 可取塔径的5倍,板高可取塔径的1/10.
轻者使塔产生严重弯曲,倾斜,塔板效率下降, 影响塔设备的正常操作. 重者使塔设备导致严重破坏,造成事故. 因此,在塔的设计阶段就应避免共振的发生.
22
7.6 塔设备的振动
过程设备设计
7.6.2 塔设备的防振
规定: 为了防止塔的共振,塔在操作时激振力的频率(即升力作用 的频率或旋涡脱落的频率) f v 不得在塔体第一振型固有频 率的0.85～1.3倍范围内,即 f v 不得在如下范围内
11
7.6 塔设备的振动
过程设备设计
300≤Re<3×105——旋涡以一确定的频率周期性地 脱落,该范围称为亚临界区. 3×105≤Re<3.5×106——尾流变窄,无规律且都变 成紊流,无涡街出现.称为过渡期. Re>3.5×106——卡曼涡街又重新出现,称超临界区.
风致振动简述讲义课件
04
风致振动的预防与控制
风致振动的监测技术
风速监测
通过风速传感器实时监测风速， 了解风致振动发生时的风速条件
。
振动监测
在建筑物或设施的关键部位安装振 动传感器，监测风致振动产生的振 动响应。
数据采集与处理
利用数据采集系统对传感器数据进 行采集，并通过信号处理技术对数 据进行处理和分析，提取风致振动 的特征信息。
风致振动的控制方法
改变建筑物或设施的形状和结构
01
通过优化设计，降低建筑物或设施对风的敏感性，减少风致振
动的发生。
增加阻尼减震装置
02
在建筑物或设施中安装阻尼器、减震器等装置，吸收和消耗振
动能量，减小振动响应。
改变运行方式
03
通过调整建筑物或设施的运行方式和规律，降低其对风的敏感
性，减少风致振动的发生。
桥梁风致振动
总结词
桥梁风致振动是指由于风的作用导致桥梁产生的振动现象。
详细描述
桥梁作为重要的交通基础设施，其安全性至关重要。桥梁风致振动是桥梁设计中的重要问题之一，由 于风的作用可能导致桥梁的振动和摇晃，长期下来可能造成结构的疲劳和损伤。为了确保桥梁的安全 使用，工程师需要充分考虑风致振动的影响，采取有效的措施进行设计和加固。
电力系统风致振动
总结词
电力系统风致振动是指由于风的作用导 致电力系统产生的振动现象。
VS
详细描述
电力系统是国家经济发展的重要基础设施 之一，其稳定性和可靠性至关重要。风致 振动可能对电力系统的正常运行产生影响 ，如线路的摇晃和相位的偏移等。为了确 保电力系统的稳定运行，工程师需要充分 考虑风致振动的影响，采取有效的措施进 行预防和应对。
风致振动的数学模型
虎门大桥风致振动U-TRIZ分析及解决方案探讨
虎门大桥风致振动U-TRIZ分析及解决方案探讨作者：张晓利赵敏来源：《长江技术经济》2021年第03期摘要：以我國虎门大桥出现桥梁涡振现象为例，列举了桥梁风致振动成因和振动类型，针对虎门大桥的风振问题进行功能分析，并对世界范围内桥梁风致振动案例进行解析，从而提出桥梁风致振动U-TRIZ解决方案。
关键词：悬索桥;风致振动;桥梁涡振中图法分类号：U441.3;U448.25 文献标志码：A DOI：10.19679/ki.cjjsjj.2021.03082020年5月5日下午，我国虎门大桥出现桥梁涡振现象，当日风力5至6级，最高达到6级（6级风速为10.8～13.8m/s）。
直至6日凌晨，虎门大桥仍有肉眼可见的轻微振动。
12日，专家权威发布大桥振动原因，并表示关键桥梁构件未发生异常，桥梁结构总体安全。
16日，虎门大桥恢复通航。
虎门大桥是连接广州市南沙区与东莞市虎门镇的跨海大桥，为珠江三角洲地区环线高速公路重要组成部分，于1997年建成通车，防撞等级为30MN，防震等级为7级，防台等级为61m/s，车流量大，常处于饱和状态。
1 桥梁风致振动成因和振动类型此次虎门大桥的振动是由于风致引起。
为了避开超深水基础的施工困难和满足超大型船舶的通航要求，同时考虑施工和造价问题，国内外大力兴建大跨径钢构桥，桥梁结构向着跨度更大、更柔性的方向发展。
如表1所示。
表1 国内外大跨径桥梁更大跨度、更加柔性的桥梁结构会使桥梁周围空气绕流对称性的破缺更容易诱发桥梁振动。
仅从1818年到19世纪末，世界上由风引起的桥梁振动已至少毁坏了十多座悬索桥。
2010年5月，俄罗斯伏尔加河大桥发生离奇晃动，桥面呈浪型翻滚，出现较为明显的左右晃动，另外法国的Brotonne桥、丹麦的Faro桥、日本的名港西桥以及我国的上海杨浦大桥、武汉长江二桥、南京长江二桥的拉索均发生过振幅很大的风致振动。
大量研究和实践表明，大跨径悬索桥风致振动是正常现象，长期振动将造成结构件疲劳损坏，只能设法抑制和减少，但是无法全部消除。
斜拉索的风致振动形态及减震措施分析
斜拉索的风致振动形态及减震措施分析董擘【摘要】斜拉索是斜拉桥的关键部位和主要承载部件。
索的大柔度、小质量和小阻尼等特点,极易在风、雨、地震及交通等荷载作用下发生振动,拉索长时间的大幅振动对结构耐久性的影响己成为斜拉桥发展和运营中的严峻课题。
对斜拉索的风致振动形态进行了分析,并阐述了一些常用的减震措施,为今后的进一步研究提供了基础。
【期刊名称】《科技创业月刊》【年(卷),期】2012(000)002【总页数】3页(P158-160)【关键词】斜拉索;风致振动;涡激共振;尾流驰振;减震措施【作者】董擘【作者单位】辽宁省公路勘测设计公司,辽宁沈阳110006【正文语种】中文【中图分类】TU31随着桥梁跨径的增大，风对于桥梁结构的影响越来越明显，甚至是造成了一些灾难性的破坏。
1940年秋，美国华盛顿州建成才4个月的Tacoma Narrows悬索桥，在不到20m／s的8级大风作用下发生强烈的风致振动而破坏。
Tacoma桥风毁事故也成为现代桥梁抗风研究的起点。
作为大跨径桥梁代表之一的斜拉桥，受风的影响尤为明显。
斜拉索的振动不仅会引起结构的疲劳，造成拉索锚固端的疲劳保护系统的破坏，诱发拉索锈蚀乃至失效，缩短拉索的使用寿命，影响桥梁正常使用性能的发挥。
同时，也给行人、司机心理上带来不适。
为了保证桥梁的安全运营和拉索的使用寿命，大跨度斜拉桥的振动及其控制成为桥梁工程界面临的需要解决的关键问题之一。
斜拉索有多种振动机理，可分为风致振动和非风致振动。
风致振动指由空气动力不稳定引起的拉索振动，包括卡曼涡激共振（Karman Vortex Induced Oscillation）、尾流驰振（Wake Galloping）、结冰索的驰振、风雨激振（Rain －Wind Induced Vibration）、轴向流激振等。
1.1 卡曼涡激共振拉索横断面一般为圆形，当气流通过拉索时，气流交替在拉索的上部及下部产生漩涡，激起与气流方向垂直的力，引起拉索的横风向振动，这就是所谓的卡曼漩涡。
主塔的风致振动控制
0. 26～ 1. 67
0. 17～ 1. 70
0. 14～ 1. 10
AM D 2 台
10t 台
面外 1 次、面内 1 次,
0. 54%～ 1. 01% 扭转 1 次, 塔吊面外 1 次
0. 20～ 1. 44
控制法则
反馈控制
直接速度 反馈控制 最优直接速度 反馈控制 最优直接速度 反馈控制
14
来岛第三大桥 (9P)
AM D 2 台
12. 5t 台 0. 3%～ 2. 4%
面外 1 次、 塔吊面外 1 次
0. 14～ 0. 77
H ∞控制
15
大阪中岛大桥
HM D 2 台
3. 5t 台 1. 0%～ 10. 6%
面外 1 次、2 次, 主梁挠曲 1 次
0. 21～ 1. 87
模糊控制
注: AM D (A ctive M ass D am per) 主动质量阻尼器; HM D (H yb rid M ass D am per) 混合质量阻尼器; A TM D (A ctive T uued M ass D am per) 主动调谐质量阻尼器。
若因其他原因导致塔柱的矩形断面不能改变 时, 可附加空气力装置制振, 如在东京葛饰高低单柱 塔 (桥面以上高塔高 65 m , 低塔高 29 m ) 曲线斜拉 桥矩形断面塔柱四周, 从塔顶至主塔高的 1 3 处安 装了圆弧形抑流板 (D esflecto r) 抑制驰振, 塔高 1 3 以下则将抑流板联结起来, 成为封闭断面 (图 2)。
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所以当旋涡脱落的频率与它的任意振型的固有频率一致时，塔就会产生共振。
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Sr
D
思考：
如何防振？
四、塔设备的防振措施
如果塔设备产生共振，轻者使塔产 生严重弯曲、倾斜，塔板效率下降，影 响塔设备的正常操作，重者使塔设备导 致严重破坏，造成事故。
由于直立高耸设备安装就位后的裸 塔极易发生振动,给装置的安全运行带来 隐患。所以必须采取一定的防振措施。
在塔前半周（A到B）， 边界层内流速下降，层外主流体速度增加 在塔后半周（B到D），主流体本身不断减速 层内流体向主流体获得能量，速度不降 层内流体不能从主流体获得能量，速度下降
C点出现边界层流体的增厚并堆积
漩涡的形成
外层主流的流体绕过堆积的边界层， 使堆积的边界层背后形成一流体的空白 区；
在逆向压强梯度的作用下，流体倒 流至空白区，并推开堆积层的流体，在 塔体的背后就形成了漩涡，这样的漩涡 通常称为卡曼漩涡。
5
Hale Waihona Puke 666 5漩涡的交替产生和脱落
在出现卡曼涡街时，由于塔体两侧旋涡的交替产生和脱落，在塔两侧的流体 阻力是不相同的，并呈周期性的变化。
在阻力大的一侧，即漩涡形成并长大的一侧扰流较差，流速下降，静压强较 高；
而阻力小的一侧，即漩涡脱落的一侧，绕流改善，速度较快，静压力较低， 因而，阻力大（静压强高）的一侧产生一垂直于风向的推力。
➢ 高鸿海， 姜锦玲 塔振动与卡曼旋涡的解决办法 .英文刊名： GANSU SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)： 2005,21(6)
➢ 郑津洋.董其伍.环，这些漩涡在尾流中有规律地交错排列成两行 ，此现象称为卡曼涡街。
(4)300≤Re<3×10 时，进入亚临界区，卡门涡街，塔体产生周期性振动；
(5)3×10≤Re<3.5×10，进入过渡区，旋涡脱落不规则，卡门涡街消失；
5
(6)3.5×10 <Re时，进入超临界区，卡门涡街重新出现，又出现周期性振动。
当一侧漩涡脱落后，另一沿风向的垂直方向产生振动，称之为横向振动。显 然，其振动的频率就等于旋涡形成或脱落的频率。
风速风压 堆积层
Re 卡曼漩涡
(漩涡形成、漩涡脱落）
关键参数
升力、激振频率、临界风速
振动
控 制
（2）升力
由于漩涡交替产生及脱落而在沿风向的垂直方向产生的推力 成为升力。风在沿风向产生的风力成为拽力，通常升力要比拽力大得多。
3、增大塔的阻尼
增加塔的阻尼对控制塔的振动起着很大的作用。
当阻尼增加时塔的振幅会明显下降。当阻尼增加到一定数值后， 振动会完全消失。塔盘上的液体或塔内的填料都是有效的阻尼物。
研究表明，塔盘上的液体可以将振幅减小10%左右。
4、设计时振动分析
而实际上，最经济与最有效的防振措施乃是在设计阶段认真地对 塔设备进行振动分析。在进行工程结构设计时，事先估计到卡曼旋涡 诱发振动的可能性，将有助于我们避免恶性事故的发生。
课题
塔设备的风致诱导振动机理及工 程防振措施
一、团队分工介绍
组长：李辉 PPT制作：许静 PPT顾问：陈聪 PPT优化：邹远辉、彭志权 资料收集： 振动机理部分：李辉、陈聪、黄佳平、
曹奇敏、曾世荣 防振措施部分：鲁钊、江生林、张建
Content
一、团队分工介绍 二、塔设备的振动 三、风致诱导振动机理 四、塔设备的防振措施 五、参考文献
FL CL 2 A / 2
（3）激振频率
在塔的一侧，卡曼漩涡是以一定的频率产生并从圆柱形塔体表面脱落 的，该频率即为塔一侧横向力F作用的频率或塔体的激振频率。由研究表 明，对于单个圆柱体，其漩涡脱落的频率与圆柱体的直径及风速有关。
（4）临界风速
作用在塔体上的升力是交变的，因为升力的频率与漩涡脱落的频率相同，
卡曼涡旋的产生条件：
旋涡特性与雷诺数Re有密切的关系，但只有在 雷诺数达到一定程度时才会形成卡曼涡街。
(1)Re<5时，无旋涡产生；
（2)5≤Re<40时，背风侧出现一对稳定的旋涡；
（3)40≤Re<150时,塔体背后一侧先形成一个漩涡，在他从塔体脱落并向下游 移动时，塔体背后的另一侧的对称位置处形成一个旋转方向相反的漩涡。以此
二、塔设备的振动
两种
顺风向振动
横向振动 （风致诱导振动）
三、风致诱导振动机理
（1）诱导振动的流体力学原理（卡曼漩涡）
风速与风压的变化
风速： 迎风侧：B点风速为0，B到C风速不断增加； 背风侧：C到F风速不断减小
风压： 与风速正好相反，B点最高，B到C风压不 断降低；C点到F点，其压力不断升高
边界层的堆积
1、增大塔的固有频率
降低塔高，增大内径，可降低塔的高 径比，增大塔的固有频率或提高临界风速， 但这必须在工艺条件许可的情况下进行；
增加塔的厚度也可有效的提高固有频 率，但这样会增加塔的成本。
2、采用扰流装置
合理的布置塔体上的管道、平台 或者扶梯和其他的连接件可以消除或 破坏卡曼漩涡的形成。
在沿塔体周围焊接一些螺旋形版 可以消除漩涡的形成或改变漩涡脱落 的方式，进而达到消除过大振动的目 的。（例如在塔的上部，塔高的范围 内安装轴向翅片或螺旋型翅片的扰流 器，可影响卡曼旋涡的形成，以减缓 或防止塔的共振。）
当然还有最笨的办法就是用钢索固定，但这种方法总是受到场地的限 制，一般不会采用。
五、参考文献
➢ 元少昀.段瑞.塔器、烟囱等高耸结构风诱导共振的判定准则及振动分 析的相关问题[期刊论文]-石油化工设备技术2010,31(1)
➢ 高文彦 .化工装置中塔器的风诱导振动.英文刊名： PROCESS EQUIPMENT & PIPING年，卷(期)： 2001,38(5)