大型港口起重机械的紊流风载荷及抗风设计方法研究

世界经济的迅猛发展与全球化态势使得集装箱海上运输成为一种非常重要的货物运输形式，而集装箱运输船吨位的逐步攀升使得与之配套工作的集装箱码头装卸机械设备的体形亦随之攀升，其结构高大、轻柔，动态特征明显。有别于一般海岸地貌，集装箱码头的码头前沿往往是一系列集装箱岸边起重机在集群工作，停靠于码头的集装箱船迎风面积大，而码头后方的大量集装箱堆垛高低不齐、面积庞大，以上种种因素都极大复杂化了集装箱码头的局部风环境，使得其局部风场呈现出重要的紊流特征，风对码头起重机械设备的紊流效应不容忽视。项目研究过程中，以大型岸边集装箱桥式起重机为基本研究对象（简称桥吊、岸桥），主要从紊流风载荷数值模拟方法、结构动力学建模、局部风环境CFD模拟、紊流风对结构承载能力的影响分析、紊流风对结构承载能力影响的现场实测、结构的轻量化与抗风设计等方面对紊流风载荷对大型港口起重机械的影响进行了系统研究。项目研究过程中，首先通过谐波叠加原理，根据理论风速谱模拟脉动风速的时间历程，并进一步根据相关规范转化为风载荷的时间历程。建立了实腹式主梁与桁架式主梁两大类岸边集装箱起重机的结构有限元分析模型，将模拟的风载荷时间历程施加于有限元模型，从而预测了结构特征位置上的响应时间历程以及响应谱。以上海洋山深水港某集装箱码头为工程实例，基于CFD技术模拟了集装箱运输船及码头后方集装箱堆垛对集装箱码头局部风环境的影响。结合上述三部分内容研究详细系统分析了紊流风对大型港口起重机械的承载能力的影响，并进一步分别在厦门港、上海外高桥和上海洋山港进行了其承载能力的现场实测与实时监测。探讨了大型港口起重机械的抗风设计方法及其以抗风为目标的轻量化设计方法。 2100433B

大型港口起重机械工作于码头前沿或近岸海域，其结构整体外形大，兼具大跨度与大高度的特点，且与一般土木结构或输电塔结构相比局部杆件长细比更大，有着明显特殊性。港机的大型化发展态势使得结构基频已降低至风载荷的卓越频段，由风场紊流成分引起的结构风振已经不容忽视。本项目在脉动风速现场监测、风洞模型试验和计算机数值模拟的基础上，深入研究大型港口起重机械的紊流风载荷特性（统计特性、谱特性、空间相关性）及其数值模拟方法（至少同时考虑跨度和高度两个方向的空间相关性），研究此类机械结构考虑风振效应的基于分层思想的抗风设计方法，建立结构风振理论简化模型，结合现场关键部件性态监测对模型进行修正优化，研究讨论紊流风载荷对结构承载能力、动力可靠性、整体稳定性及轮压的影响。研究结果既可以应用于大型港口起重机械的研究与设计，又可以对相关国家规范未加规定的内容提供有益参考，为提高我国此类机械的研发水平发挥积极作用。

本书总结了作者在国内外大型冷却塔工程抗风设计的研究成果，系统地阐述了大型冷却塔的结构抗风设计原理，并将其应用于国内外重大工程实例，主要包括风荷载特性、群塔干扰效应、结构风致响应、风振系数取值、等效静力风荷载以及结构稳定性等一系列问题，涉及基础理论、计算方法、试验方法及研究结果等，同时结合国内外拟建、在建和已建大型冷却塔工程给出大量抗风设计研究实例。

曼型干式煤气柜是一种储存可燃气体、节约能源和保护环境的大型、重要构筑物，广泛用于冶金、石化、市政等行业。本项目以大型曼型干式煤气柜结构的抗风设计理论为主要研究目标，主要研究内容包括曼型干式煤气柜结构考虑内部活塞运动的结构动力特性及其在静风和动力风荷载下的屈曲失稳问题、煤气柜薄壁结构体型系数及等效风荷载、煤气柜薄壁结构气动弹性模型设计方法、适用于工程设计的大型煤气柜简化抗风计算方法等。本项目拟依托于现有大型煤气柜工程建设，综合运用理论分析、试验研究、数值模拟等各方面手段，率先开展针对大型曼型干式煤气柜结构的风振响应研究工作，为煤气柜结构的抗风计算提供可靠、有效的理论依据。因此，本项目具有十分重要的理论意义、应用价值和社会经济效益。

随着输电线路规模的增大，长横担输电塔越来越广泛地得到应用。由于在长横担上存在很大的质量和挡风面积的突变，导致长横担输电塔的风荷载特性与传统的输电塔有较大差异，同时其横风向和扭转向的风荷载效应显著，非常有必要进行长横担输电塔三维风荷载特征和抗风设计方法研究。本课题主要研究内容有：（1）采用气弹模型风洞试验获得输电塔在顺风向、横风向和扭转向的风振特征；（2）采用高频动态天平风洞试验研究圆截面钢管塔的体型系数，分析风洞试验时雷诺数效应的修正方法；（3）采用大比例尺刚性测压风洞试验获得角钢塔各杆件的局部风压分布，分析节段模型的整体体型系数和力谱特征；（4）基于高频天平动态试验数据，提出考虑顺风、横风和扭转向三维作用的输电塔等效风荷载计算方法；（5）分析输电塔风致响应的各种时频域计算方法，对比各结果以探讨各种方法的适用性；（6）研发用于输电塔加速度测试的轻便现场实测装置和进行应用，研究输电塔的半刚性连接对输电塔自振特性和风致响应的影响；（7）基于向量式有限元方法进行输电塔风振响应和风致倒塌计算。 研究结果表明：（1）在各风向角下输电塔的横风向加速度与顺风向加速度接近，横风向效应在设计中必须考虑；（2）圆钢塔的天平测力风洞试验中，高湍流风场下测试获得的体型系数可不进行修正，均匀流下体型系数需要考虑修正系数；（3）圆钢塔架体型系数在15°风向上达到最大值，正迎风的体型系数与美国规范接近，比中国规范大；(4)典型角钢塔节段模型的顺风向体型系数为2.99，比中国规范大，规范数据偏危险；（5）典型角钢塔节段模型在顺风向与横风向基底剪力的相干性、顺风向基底剪力与扭矩间的相干性均较小，横风向基底剪力与扭矩间的相干性较大；（6）时频和频域的两种方法（CQC法和背景加共振）得到的结果非常接近，在频域分析中模态交叉项的贡献不可忽略，对于长塔臂输电塔需要考虑至少6阶模态的参与；（7）基于C 编制了输电塔基于向量式有限元的风振响应计算程序，与传统有限元的风致响应结果一致，演算获得输电塔的风致倒塌过程；（8）提出了输电塔的三维抗风设计方法，能同时考虑三个方向的风荷载作用，已在玉环电厂二期送出线路等工程中得到应用。 2100433B