风致诱导振动
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。
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。
风致诱导振动讲解
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。
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；
简述微风振动的机理
简述微风振动的机理微风振动是指在微风作用下，某些物体或结构发生的振动现象。
微风振动的机理主要包括风压力和流体动力学效应两个方面。
风压力是微风振动的主要原因之一。
当微风吹向物体时，会产生风压力，即风对物体表面单位面积的压力。
这种风压力会导致物体受到来自不同方向的力，从而引起物体的振动。
当物体的形状和表面特性发生变化时，风压力的分布也会发生改变，进而影响振动的频率和振幅。
流体动力学效应也是微风振动的重要机理之一。
在微风作用下，风流经过物体表面时会产生层流或湍流。
层流是指风流在物体表面上以顺序排列的方式流动，而湍流则是指风流在物体表面上形成混乱的旋涡结构。
这些层流和湍流会对物体施加不同的作用力，从而导致物体发生振动。
此外，流体动力学效应还包括泊肃叶定律和柯南达力的作用，它们描述了流体在物体表面上的流动特性和作用力的大小。
微风振动的机理还与物体的形状、材料特性以及周围环境等因素有关。
例如，当物体的形状具有一定的共振频率时，微风的作用会增强物体的振动幅度，产生共振现象。
另外，物体的材料特性也会影响微风振动的机理，例如，柔软的材料会更容易受到微风的振动力，而坚硬的材料则相对较少受到微风的影响。
此外，周围环境的条件，如风速、风向和湿度等也会对微风振动的机理产生一定的影响。
总结起来，微风振动是由风压力和流体动力学效应共同作用所致。
风压力会通过对物体施加力的方式引起振动，而流体动力学效应则是由于风流经过物体表面时产生的层流和湍流所导致的。
物体的形状、材料特性和周围环境等因素也会对微风振动的机理产生影响。
了解微风振动的机理有助于我们更好地理解和预测振动的规律，进而设计和改进物体或结构的抗风性能。
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
超高层建筑结构风致振动的动力参数敏感性研究
超高层建筑结构风致振动的动力参数敏感性研究徐安;石碧青;赵若红;张志华【摘要】以广州珠江城为例,分析了超高层建筑结构风致振动对于阻尼比和峰值因子取值的敏感性.结果表明:一方面,结构的顶部加速度响应及基底倾覆弯矩响应均随阻尼比的增长呈负指数衰减规律,极端情况下,阻尼比取0.01的加速度响应计算结果比阻尼比取0.04的工况大100%以上;另一方面,由横风向涡激振动引起的基底倾覆弯矩响应对阻尼比的敏感性远大于由顺风向湍流引起的基底倾覆弯矩响应.分析认为:这是由于顺风向湍流引起的基底倾覆弯矩响应很大一部分由平均风荷载贡献,而该部分在计算过程中是按照静力荷载施加在结构上的,不受阻尼比取值的影响.在不利风向角工况下,峰值因子取值在2.5～3.5的范围内变化时,加速度响应及基底倾覆弯矩的变化幅度基本在20%以内.【期刊名称】《广州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(010)001【总页数】6页(P54-59)【关键词】高层建筑;风洞试验;动力参数;随机振动【作者】徐安;石碧青;赵若红;张志华【作者单位】广州大学广州大学-淡江大学工程结构灾害与控制联合研究中心,广东,广州,510006;汕头大学土木工程系,广东,汕头,515063;广州大学广州大学-淡江大学工程结构灾害与控制联合研究中心,广东,广州,510006;广州大学广州大学-淡江大学工程结构灾害与控制联合研究中心,广东,广州,510006【正文语种】中文【中图分类】TU973.32;TU317.2风荷载是超高层建筑结构水平控制荷载之一.在进行结构设计前，通常需要进行风洞测压试验获取作用在结构上的脉动风荷载，进一步结合结构有限元模态分析所得到的动力参数进行风振响应计算.显然，结构的响应是由风荷载和结构动力参数共同决定的［1－3］.风荷载一般取决于风环境及结构外形，如果忽略风场与建筑物的流固耦合效应，在建筑设计方案确定后，风荷载就已确定.结构动力参数则包括结构的固有频率、振型和阻尼比.其中固有频率和振型一般直接采用有限元模型的模态分析结果，阻尼比的取值成为风振响应分析中动力参数取值的关键问题［4］. 一般而言，在结构风致响应计算过程中都采用常阻尼比假设，对于不同的实际项目，取值区间大致在0.01 ～0.04 之间［5－6］.实际采用的取值只能根据建筑物高度、主要结构形式、整体刚度等要素采用经验估计的方式来确定.而不同的取值对结构响应计算结果则存在一定影响，因而在结构设计时，对阻尼比取值的确定常需要经过反复讨论.此外，峰值因子的取值对结构响应计算结果也有着一定影响.峰值因子实际上只是结构响应计算参数而非动力参数，但其取值一般采用经验方式取2.5～3.5之间的某个常数，或者是按照 Davenport一次穿越理论自动计算峰值因子［7］.因而峰值因子的取值方式在一定程度上类似于阻尼比的取值，即根据经验确定，不同的风工程研究人员取值不一定完全一致，这或许将导致计算结果的差异［8］.以广州珠江新城CBD区域的标志性建筑珠江城为工程案例，研究了高层建筑风振响应的2个主要参考量:结构顶部加速度及基底倾覆弯矩对于阻尼比和峰值因子取值的敏感性，所得结果可供其他类似结构风振响应分析参考.珠江城项目地下5层，地上71层，±0.000 m以上，总高度309.6 m.外围由周边钢柱和钢梁组成，内部为钢筋混凝土核心筒.第23～27层和第49～53层在核心筒东西两侧安装风力发电机，由于这个独特的设计，整个结构的传力在这2个部位发生了一定的改变.位于第23～27和第49～53层的外伸及带状桁架，把外围周边4根大柱与内部钢筋混凝土巨型核心筒剪力墙系统，以及由端部斜支撑连接起来的组合钢柱相连接，共同组成了整体结构的主要抗侧力系统，抵抗水平风载及水平地震作用，其中外伸桁架在水平荷载的传递方面扮演了重要角色.珠江城外观效果如图1所示.本项目的模态参数采用结构设计单位所提供的结果，前3阶自振周期分别为6.855 s、5.522 s和3.875 s.下文将对峰值加速度、基底弯矩响应2个重要指标对应于不同阻尼比及峰值因子取值所得到的计算结果进行比较分析.本项目的风洞试验及风振响应计算采用图2所示的坐标系，风向角以X轴为方向顺时针转动.测压模型用有机玻璃材料制成，模型的几何缩尺比为1∶400.根据建筑的体型和试验要求，在模型表面布置了15个测点层共367个测压点.地貌类型按C类考虑，地貌指数为0.22，试验以36个风向角在湍流边界层来流条件中进行，如图3所示.风洞试验采样频率312.5 Hz，采样帧数为20 480.由于峰值因子取值对计算结果有较为直接的影响，此处考察2种峰值因子取值的工况.图4为峰值因子取g=2.5时，对应不同的结构自振周期的顶部最大峰值加速度随阻尼比的变化曲线，其中，T0表示设计院提供的结构自振周期工况;1.1表示将结构各阶自振周期放大1.1倍的工况，其余类推.峰值基底弯矩分50 a和100 a重现期2种情况，由于结构特征的缘故，珠江城基本是受Mx(绕X轴的基底弯矩)控制的.根据不同参数的各种风向角试验结果，发现Mx的最大值出现在180度和280度风向角，前者本质是横风向的涡激振动效应，后者则是顺风向湍流引起的.图5～6给出这2个风向角的分析结果.由图4可见，结构顶部加速度响应随阻尼比的增加而单调递减，衰减规律接近于负指数函数.实际上，在超高层建筑风振分析的实际工程应用中，关于阻尼比的取值存在一定争议，超高层建筑物阻尼比受到主体结构，填充墙等非结构构件以及装饰装修等因素的影响，其合理取值在建筑物尚未建成之前是难以确定的.部分超高层建筑在进行风振响应分析时，其阻尼比取为0.04，根据上述研究结果，如果其实际阻尼比为0.01，则其实际加速度响应将比采用0.04阻尼比计算结果大100%以上.图5～6显示了180度和280度风向角下基底倾覆弯矩对于阻尼比的敏感性.如前所述，180度风向角下的倾覆弯矩Mx主要是由横风向涡激振动引起的，而280度风向角下的倾覆弯矩Mx主要是由顺风向湍流引起的.结果显示，它们对于阻尼比的敏感性是不同的.在180度风向角下，阻尼比取0.04时所得到的倾覆弯矩Mx 比阻尼比取0.01时下降了接近50%，而在280度风向角工况下，阻尼比取0.04时所得到的倾覆弯矩My比阻尼比取0.01时下降了约20%.这说明，横风向涡激振动引起的倾覆弯矩对于阻尼比的敏感性远大于顺风向湍流.上述分析中，峰值因子均取2.5，在实际工程中也有采用Davenport一次穿越理论确定峰值因子的案例.随机荷载或响应x(t)的峰值或等效值通常采用下式计算: 其中和σx分别为均值和均方根值;g为峰值因子，可用Davenport基于一次穿越理论提出的表达式估算:其中，v是平均循环比率;T为观察时间，可视为基本风压的取值时距即10 min，平均循环比率v取决于荷载的功率谱S(n)，其关系为其中，n是脉动频率，视不同结构和风速;g值的范围可能会在3.0～3.5之间.按上述公式自动计算峰值因子g时，不同自振周期工况结构顶部最大峰值加速度随阻尼比的变化曲线，见图7.由图7～9可见，在取峰值因子按式(1)～(3)计算时，结构顶部加速度响应和基底弯矩响应随阻尼比的变化规律与峰值因子取2.5时类似，但由于按式(1)～(3)计算的峰值因子比2.5大，因此得到的加速度响应和基底倾覆弯矩响应值也就更大.峰值因子是风振响应分析中除结构阻尼比外另一个取值具有一定不确定性的量，下面考察不同峰值因子取值对结构风振响应的影响.共计算了4种峰值因子取值情况的顶部加速度响应和基底弯矩响应，即 g=2.5，3.0，3.5 和用式(1) ～ (3)自动计算g值.图10列出了对于不同峰值因子取值情况得到的顶部峰值加速度和基底峰值弯矩Mx随风向角的变化曲线，自振周期不作改变.由图10(a)、(b)可见，不论是何种峰值因子取值情况，结构顶部峰值加速度均没有超过有关规范的限定值.这表明在现有的结构参数下，舒适度可以满足要求.2.0%阻尼比和1.5%阻尼比2种工况下，对应于不同峰值因子取值，加速度响应随风向角变化的趋势是类似的.由图示可见，自动计算峰值因子的加速度响应结果基本处于峰值因子取3.0和3.5的对应的计算结果之间，而峰值因子取2.5的结果比自动计算结果小约20% ～30%.峰值因子取值对基底倾覆弯矩的影响与对加速度的影响是类似的.按照Davenport 一次穿越理论自动计算峰值因子所得到的弯矩响应结果处于峰值因子取3和3.5所得结果之间.图10、图11显示在加速度和倾覆弯矩最大的极限风向角下，不同的风致因子取值对计算结果的影响基本在20%以内.以珠江城为案例，进行了刚性模型多点同步测压风洞试验，采用不同的阻尼比和峰值因子取值计算了结构顶部加速度响应以及基底倾覆弯矩响应，得到了以下基本结论:①结构顶部加速度及基底倾覆弯矩均随着结构阻尼比的增大呈近似指数律衰减规律;②阻尼比取0.04时的顶部峰值加速度响应比取0.01时降低50%左右，这表明，顶部加速度响应的计算结果对阻尼比是比较敏感的;③横风向涡激振动引起的基底倾覆弯矩与顺风向湍流引起的涡激振动对于阻尼比取值的敏感性是不同的，前者对于阻尼比取值的敏感性远大于后者，分析认为，这是由于顺风向湍流引起的基底倾覆弯矩响应很大一部分由平均风荷载贡献，而该部分在计算过程中是按照静力荷载施加在结构上的，不受阻尼比取值的影响;④在通常的峰值因子取值范围内(g=2.5～3.5)，不利风向角下的顶部加速度响应及基底倾覆弯矩响应的计算结果相对误差在20%以内.一些学者对于超高层建筑结构风致振动现场实测的相关研究结果表明，其阻尼比并非常数，而是一个与振幅呈非线性关系的量，由于目前进行现场实测的案例仍然是非常有限的，关于阻尼比合理取值的问题仍有待深入研究.【相关文献】［1］ XIE Zhuang-ning，FANG Xiao-dan，NI Zheng-hua，et al.Study of wind effects of Guangzhou West Tower［J］.Journal of Building Structures，2009，30(1):107-114.(in Chinese)［2］ SHIBi-qing，XIE Zhuang-ning，NI Zheng-hua.Study of wind effects of Guangzhou West Tower using high-frequence-force balance method［J］.China Civil Engineering Journal，2008，41(2):42-48.(in Chinese)［3］ JIXue-pei，XIE Zhuang-ning，LIXiao-kang.An experimental study on the wind induced response and aerodynamic damping of Guangzhou West Tower［J］.China Civil Engineering Journal，2009，42(7):59-64.(in Chinese)［4］ WU JR，LIU P F，LIQ S.Effects of nonlinear damping and time constant on wind-induced responses of a 79-story tall building［J］.Computers ＆ Structures.2007，85:1014-1021.［5］ XU Y L，CHEN SW，ZHANG R C.Modal identification of DiWang Building under typhoon York using the Hilbert-Huang transform method［J］.The Structural Design of Tall and Special Building，2003(12):21-47.［6］ LIQ S，WU JR.Time-frequency analysis of wind characteristics and wind-induced responses of a super tall building during a typhoon［C］∥ Proceedings of the Sixth Asia-Pacific Conference on Wind Engineering，Seoul，2005:1321-1336.［7］ SOLARIG，PICARDO G.Probabilistic 3-D turbulence for gust buffeting of structures ［J］.Probabilistic Engineering Mechanics，2001(16):73-86.［8］ JEARY A P.Establishing non-linear damping characteristics of structures from non-stationary time-histories［J］.The Structural Engineer，1992，70:61-66.参考文献:［1］谢壮宁，方小丹，倪振华，等.广州西塔风效应研究［J］.建筑结构学报，2009，30(1):107-114.［2］石碧清，谢壮宁，倪振华.用高频底座力天平研究广州西塔的风效应［J］.土木工程学报，2008，41(2):42-48.［3］嵇学培，谢壮宁，李小康.广州西塔风致响应和气动阻尼特性的试验研究［J］.土木工程学报，2009，42(7):59-64.【责任编辑:刘少华】。
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。
金茂大厦风致振动的实验研究_顾明
金茂大厦风致振动的实验研究顾 明 周 印 张 锋 项海帆(同济大学土木工程防灾国家重点实验室 上海,200002)江欢成(华东建筑设计研究院 上海,200092)摘要 在同济大学T J-2边界层风洞中对总高为420.5m 上海金茂大厦的模型进行了高频动态天平测力模型试验和多自由度气动弹性模型试验,根据试验结果及计算得到了该塔楼在风作用下的动力响应,以及风向、地貌和周边建筑的干扰等条件对结构风振响应的影响,将主要结果和加拿大西安大略大学边界层风洞的主要试验结果进行了对比,两者在工程精度范围内吻合较好。
关键词:超高层建筑;结构振动;风洞实验;多自由度气动弹性模型中图分类号:T U 1;T U 311.3引 言目前多数超高层建筑的抗风设计都突破了规范的限制。
对于规范所不能包含的建筑物的抗风特性研究,通常采用风洞试验方法。
高频测力天平模型试验方法是目前应用非常广泛的一种方法[1～2]。
其优点是试验简单,便于工程应用,而其不足之处是只能适用于一阶振型为线性(即一阶振型为直线型)或近似线性的结构,且不能计入气动弹性效应[3]。
但对一般的高层建筑物,振型的非线性和气动阻尼并不严重,所以,一般而言,这一方法有较高工程精度。
气动弹性模型主要包括单自由度气动弹性模型和多自由度气动弹性模型。
前者为弹性支撑上的刚体模型,只能模拟结构几个方向的基阶频率和线性振型;后者可模拟结构多阶频率和实际振型,试验结果更为可信,但模型设计、制作难度远远大于前者[4]。
高层建筑的多自由度气动弹性模型的风洞试验国外也较少进行。
金茂大厦的高度目前属国内第一,世界第三,是一幢典型的风荷载控制的超高层建筑。
为了全面研究金茂大厦这一超高层建筑的风振特性,作者设计、制作了这一建筑的高频动态测力天平模型和多自由度气动弹性模型,并在同济大学T J -2边界层风洞中对其进行了试验。
通过分析获得了其动力风荷载、风振响应等。
本文介绍主要结果。
1 模型系统及试验概况1.1 高频动态测力天平试验模型系统 高频动态测力天平由作者自行研制。
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
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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。
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二、塔设备的振动
顺风向振动
两种
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
（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， 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。
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
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。
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
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)
风速风压
Re
卡曼漩涡 (漩涡形成、漩涡脱落）
堆积层
关Hale Waihona Puke 参数振动控 制升力、激振频率、临界风速
（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。
FL CL A / 2
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。
边界层的堆积
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。
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。
循环，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； (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。
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
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6
6 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。 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。