塔器上所受基本风压分布参数的确定分析

2022-10-17

风压指的是由于受到建筑物等物体抵挡, 风无法从中穿过造成的四周空气阻力增大情况, 这种情况下动压会下滑, 静压随之升高。在这种条件下, 背面以及侧面所出现的局部涡流静压下滑状态相较于远处由于遮挡物受到干扰的气流而言, 这类静压的降低与升高变化即为风压。换言之, 风压就是垂直于气流方向的平面所受到的来自流动风的压力。对于塔器而言, 由于其是由支座、封头以及筒体等构件组合而成, 属于圆筒形状态且体积较大, 因此难免会对风力造成一定影响, 其风压也会由于各种因素产生变化。本文以此为背景, 针对塔器上风压分布参数的设定展开如下研究:

一、风压分布影响因素研究

1. 塔器本身外形影响

之前说到, 风在流动过程中受到阻挡而产生风压, 也就是说, 风流动情况下会受到不同形态的阻挡物, 因此对于塔器而言, 其阻挡效果与其它建筑物阻挡可能不尽相同。在基本风压中, 并没有将塔器结构、形态等因素作为影响风压的考虑因素, 塔器在不同环境下呈现出的形状、高度、表面积等因素不同, 在同样风速条件下, 其风压值也是不同的。通常而言, 塔器属于圆筒形状, 相关实验研究结论对影响程度按照雷诺数来表示, 标记为Re。通常而言, 当雷诺数的值在1.5*105以下时 (包含此值) , K1值取1.2;当雷诺数的值在4*105以上时 (包含此值) , K1值取0.7。

由此可见, 风压分布大小状态受到高度变化系数、基本风压以及形体系数影响, 其中基本风压也可以被称作为平均风速极大值。这类影响的决定性因素在于风的静力性质, 也就是说, 在平均风速极大值下, 风压能够使用以下公式来表达:

风压=K1∫zq0

2. 平均风对风压分布的影响

在实施可靠性设计过程中, 第一步应该是实际测量平均风速的年度极大值数据, 数据应结合当地风速测量状态记录来完善, 避免出现数据较大偏差。例如在某地区测量时, 已经得到了仅几十年内的平均风速记录, 将样本容量定位23个, 则可以按照下表来表示 (见表1) 。但如果塔器的存在点并不在其中心范围内, 则在收集到平均风速年极大值的样本之后还应注意其分布状态以及分布相关参数, 之后的步骤相同。

二、风压分布参数概念与初步设计

在完成一项压力容器的设计过程中, 尤其是可靠性强度设计, 首先应对样本实施有效的搜集、统计、管理以及处理, 例如样本的基本风压、操作压力、操作质量、各类型尺寸以及在地震状态下的最大地面水平加速度。同时, 在设计风压时还应注意到样本的分布状态以及参数设置。在风压参数分布的设计方面, 主要应从以下几个角度去考虑:

对于一个压力容器而言, 塔器在存在过程中必然会对风产生阻挡影响, 当风运动途中受到塔器影响产生风荷载时, 塔器筒体表层会受到歪曲状态的应力。换言之, 相当于风作为一个外来侵入力量, 将塔器向风运动方向产生了“推动”作用力, 让塔身受到应力。风荷载属于随机荷载的一种, 并不会属于相同状态, 也就是说, 在不同时间、不同环境下风力荷载产生的作用力并不相同。另外, 即使是在相似甚至相同环境中, 不同次作用的风力荷载也很少发现存在性质与大小与之前发生过的荷载力相一致情况。因此, 风荷载的数据计算必须用到高等数学中的概率统计方法。研究者发现, 在此方面风荷载能够表示为风压与塔器自身结构的迎风面积的乘积, 使用公式可表达为:

在上述公式中, Q表示的是空气密度, 空气密度受到测量点高度以及周围环境的影响, 应该视当时情况而定或是取多个月/年平均值。同时注意夏冬两季空气密度的差异性。V表示平均风速, 需要在塔身部位测量一段时间后才能够得出, 并且注意测量方案的设定, 测量必须包含到早中晚以及半夜这四个时间段, 并且注意季节变化或是天气变化, 若在测量研究期间出现了强风、暴雨等天气应将其适当删减, 不作为平均风速的计算;但若这种天气属于多发现象则可使用。K1表示的是体形系数, 这里的体型指的是塔器本身的形状, 之前说过, 塔器自身形状以及表面积会影响到受风力的荷载力量, 因此塔器的体型理应加入到风压分布参数计算中。本次研究中, 由于目标对象为塔器, 因此当对塔器实施K1计算时, 将fZ设定为高度变化系数, 表示塔器本身高度对荷载应力产生的影响, 将塔身高度这一因素计算在内;K1设定为0.5, 这是一个参数取值, 在公式计算中可直接使用0.5来做运算;K2i设定为风振系数, 这属于风力本身所产生的影响, 将风本身的影响因素也归为其中。

由此可见, 风压受到多种因素影响, 例如塔器本身形体系数、高度变化、空气密度、风速等等。其中, 在风速的取值方面理应根据当地风速测量记录合理选取, 按照观测资料选择平均风速一年中的极大值。因此, 平均风速极大值与风压之间的关系并不会呈现出线性状态。换言之, 如果已经将平均风速极大值的分布参数计算出来了, 也就是将q0的分布参数计算出来了。但由于塔器自身迎风面积的计算方式为线性尺寸的乘积, 因此在具体可靠性强度设计中理应将其变差系数忽略掉, 否则难以求出范围值。由此不难看出, 风压与风荷载之间还是能够看作是线性关系的, 则当研究者得到了q0的分布参数之后, 通过接下来的计算同样能够得到风荷载的分布参数。