基于Adomian分解和回归分析的高耸钢烟囱动力特性研究(Ⅰ):模态频率

主要围绕简单而精确地对高耸钢烟囱模态频率进行预测展开研究工作:首先,根据高耸钢烟囱的特点,建立了其动力微分方程,并通过坐标变换和无量纲归一化的方法对其无阻尼自由振动的偏微分方程进行了离散;随后,采用Adomian分解法(Adomian decomposition method,ADM),并引入边界条件和连续条件对模态频率进行了求解。其次,通过搜集的高耸钢烟囱资料,统计了现有部分高耸钢烟囱参数分布规律,并以此进行了随机抽样,得到拟合样本。最后,采用逐步回归和分段线性回归的方法,得到了高耸钢烟囱模态频率三种简化计算表达式,并对各类表达式的拟合精度进行了分析。研究表明:采用分段线性回归的方法得到的表达式能够相对高效地计算高耸钢烟囱的模态频率。本文的研究工作能够为高耸钢烟囱的设计和相应规范的修订提供一定的参考。

基于Adomian分解和回归分析的高耸钢烟囱动力特性研究(Ⅱ):模态振型

模态振型是精确分析结构风振响应的关键之一,主要围绕高耸钢烟囱模态振型展开研究工作:首先,采用Adomian分解法(Adomian decomposition method,ADM),并引入边界条件和连续条件对模态振型进行求解;随后,以论文(Ⅰ)统计得到的高耸钢烟囱参数分布规律,进行随机抽样,得到拟合样本;最后,借助回归分析的方法,分别用欧洲规范(Eurocode)表达式、多项式、指数函数求和、正弦函数求和、傅里叶级数等表达式对高耸钢烟囱的无量纲模态振型进行拟合,得到高耸钢烟囱前四阶模态振型表达式,并对各类表达式的拟合精度、复杂程度和适用情况进行讨论。研究表明:多项式和傅里叶级数形式的振型表达式更适用于进一步的风振统一理论研究。本研究工作能够为高耸钢烟囱的设计和相应规范的修订提供一定的参考。

自立式高耸结构风振控制方法研究

针对自立式高耸结构的风振控制装置及其设计方法开展研究。首先,根据自立式高耸结构的特点,设计了环形TMD、TLD和TLCD三种调频减振装置,并推导了其力学模型;随后,基于等效阻尼比的概念和我国规范的抗风设计方法,建立了自立式高耸结构风振控制的统一设计方法;最后,针对数值算例,进行了风振控制装置设计,并通过时程分析方法验证了该方法的有效性。研究结果表明,所设计的三种环形调频减振装置适用于自立式高耸结构的风振控制,建立的简化设计方法与时程分析的结果平均误差仅为5.37%,具有较高的精度,可用于自立式高耸结构的风振控制设计。

高耸结构动力特性分析的Adomian分解法

精确高效地预测高耸结构动力特性是结构设计的关键问题之一。针对高耸结构的动力特性展开研究工作:首先,根据高耸结构的特点,基于结构动力学原理推导了连续的动力微分方程;在此基础上,通过平均等效、坐标变换和无量纲归一化等方法对无阻尼自由振动的偏微分方程进行了简化;随后采用Adomian分解法(Adomian Decomposition Method,ADM)对无量纲振型进行分解,并引入边界条件和连续条件求解了模态频率和模态振型;最后,以某高耸钢烟囱为例进行了数值模拟,研究了ADM的收敛性,并与实测、有限单元法、集中质量法的结果进行了比较。结果表明:当Adomian分解阶数M取为8时,即可满足工程需要;对于典型的分段高耸结构,ADM相较于其他方法具有更高的精度。因此,该方法可以用于高耸结构的动力特性分析,并具有较高的精度和效率。

高耸钢烟囱环形TLD减振试验与数值模拟

针对高耸钢烟囱环形调谐液体阻尼器(TLD)的减振试验及其数值模拟开展研究。根据高耸钢烟囱模型结构,设计制作了环形TLD试验模型,确定了试验加载和测点布置方案。建立了环形TLD力学模型,并推导了高耸结构环形TLD减振控制的动力分析模型,据此编制了高耸结构环形TLD减振的分析程序。分别开展了模型结构设置纯水环形TLD、附加金属栅格环形TLD和附加泡沫颗粒环形TLD的减振试验,并进行了数值模拟对比分析。研究表明:所编制的程序能够模拟模型结构设置环形TLD减振结构体系的动力响应;当环形TLD调谐频率比为0.9时,减振体系阻尼比超过0.04,减振效果最佳;附加金属栅格或泡沫颗粒,能够提高环形TLD中液体阻尼,耗散振动能量,但随着液体运动受限增加,减振效果有所下降。研究为高耸钢结构环形TLD减振的设计和应用提供了相关数据。

高耸钢烟囱环形TLD减振试验设计与模型修正

针对高耸结构环形调谐液体阻尼器减振试验的设计与模型修正展开研究。以某真实高耸钢烟囱结构为原型,采用欠人工质量模型理论设计了动力试验模型,进而建立了集中质量模型和有限元模型进行动力特性分析,并与实际结构进行了对比,从而验证了试验模型的合理性。通过自由衰减试验,测得试验模型的频率和阻尼比,并针对试验中采用的无线加速度传感器,讨论其在高耸结构动力测试中的适用性。建立了基于遗传算法的模型修正方法,在试验数据的基础上,以结构刚度和基底转动刚度为变量,以真实结构静动力特性为目标,通过编制程序开展了数值模拟研究。研究结果表明:所设计的试验模型满足相似比关系,并且能够在一定程度上反映真实结构的动力行为;基于遗传算法的模型修正方法,仅需50代遗传计算即能收敛,是一种高效的数值模型修正方法。研究为进一步开展高耸钢烟囱环形调谐液体阻尼器减振试验提供了试验模型和数值模型。

国内外规范自立式高耸结构等效风荷载及响应比较

针对GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》(2006年版)和GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》、美国规范ASME STS-1-2006、欧洲规范BS EN 1993-3-2:2006和CICIND模式规范(Revision 1-1999)等规范关于自立式高耸结构的风振响应计算方法进行了比较研究。对比了各规范中基本风速、风速高度变化系数、湍流强度等基本风特性和结构动力特性的简化计算方法,以及自立式高耸结构顺风向和横风向的风振响应计算方法。选用高度50m和90m的两座自立式钢烟囱作为算例,开展了顺风向和横风向风振响应计算方法的数值模拟对比分析。研究表明:在设计小阻尼、高柔的自立式高耸结构时,顺风向风振响应计算方法相对较为成熟,但气动阻尼的影响不可忽略;对于横风向风振响应,我国规范和欧洲规范(方法1)得到的结果相对偏小,同时,所有方法所得结果与实际观测均有一定的差距,设计时应谨慎选择横风向风振响应计算方法。