CFD|脱硝钢架抗风分析
摘要:
火电厂中的脱硝钢架由于其高度较高、外形不规则，风荷载是其承受的主要荷载之一。为确保该类结构风荷载的正确评估，以某典型脱硝钢架为研究对象，基于流固耦合理论，利用数值风洞方法对脱硝钢架结构表面体型系数及风致响应进行了研究。根据刚度与质量等效的原则，提出了复杂脱硝钢架结构连续体模型的简化方法，模型简化前后的1阶自振周期与振型接近，可近似模拟原结构的平动情况。风向角的变化对迎风面及变截面处体型系数的影响较大，可以忽略风向角对侧面及顶面体型系数的影响。在0°风向角工况下，结构的位移与应力极值均显著大于90°风向角工况。因此，0°风向对于结构而言为相对较不利风向，在脱销钢架整体结构方向布置时应予以避免。
关键词: 脱硝钢架；风向角；数值风洞；体型系数；风致响应
作者:劳俊等 源自:防灾减灾工程学报
文献标识码: A
文章编号: 1672‐2132(2022)03‐0534‐08
为了便于进行数值风洞流固耦合的计算，将实际复杂结构简化为连续体模型，主要基于以下两条假设
一是总的质量与刚度的分布要与原结构等效；
二是风荷载对结构的作用效应要与原结构一致，即保证简化模型的外形尺寸要与原结构近似，
模型简化前后如下图所示。根据截面惯性矩平行移轴公式，坐标系如图3所示，刚架柱截面对刚架形心轴的惯性矩为：
根据刚度等效原则：
由式（8）可解得：H=20 m，B=25 m，h=19.8 m，b=24.8 m，A‐A 截面刚度等效示意如图4 所示。
简化模型振型
2.1 边界条件及求解方法
风场模型采用不可压缩性流体，基于流固耦合理论，建立包含结构场与风场的数值风洞。为了满足阻塞率要求，风场尺寸定为500m×300m×200m，结构背风面离出口距离应使湍流充分发展，所以出口应距离建筑物较远，数值风洞如图8所示。
分别为标准参考高度和标准参考高度处的平均风速； 
为任一高度和任一高度处的平均速度；a 为地面粗糙度系数，取B 类地面a=0.16。
；湍流常数 
入口湍流积分尺度 
风荷载体型系数μs是计算风荷载的主要参数，在实际的建筑结构抗风设计中，风荷载体型系数一般都选取规定的参考高度的平均风压系数。对于任一测点，风压系数定义如下：
式中，
为测点i 处的风压值，
为该点的风压系数。《建筑结构荷载规范》中对
的规定如下
将式(13)代入式(12)则得到某个测点的体型系数表达式：
对于某个区域的风荷载体型系数，可以通过该区域有关测点的体型系数与其面积的加权平均求和得到：
为了便于分析，将结构进行分区，如图所示，将脱硝刚架结构整体分为A、B、C、D 四个区域，A、C 区域进行二次分区，分别为A1、A2、A3、A4、C1、C2、C3、C4 区，B 区域和D 区域是变截面与顶面，由于面积较小，作为单独区域计算，总共分为10 个区域，计算该10 个区域的体型系数并分析其变化规律。
脱硝钢架结构分区
3 表面体型系数及风致响应分析
3.1 不同风向角下结构表面体型系数分布
贵州毕节地区50年重现期的基本风速为22.4m/s，以此风速分别从0°风向角（该地实际频率最高的风向）和90°风向角输入，风向角定义如下图所示。
风向角示意
风向角对脱硝钢架结构体型系数的影响不可忽视，通过对两种风向角工况下结构迎风面、侧风面及背风面体型系数，分析风向角对体型系数的影响。计算A、B、C、D 区域的体型系数，风向角为0°时各分区的体型系数如表1 和下图所示。
体型系数分布（风向角0°）
由上图可以看出，迎风面的体型系数的绝对值大于其他面，而在背风面与侧面基本一致。两个顶面的体型系数一致，A1、A2 区的变化起伏较大，背风面及侧面变化比较平缓；背风面体型系数与规范基本一致，而在脱硝钢架中上部体型系数与规范有所差别，主要是由于风在流经结构后在脱硝钢架后产生的涡流所致。风向角为90°时各分区的体型系数如表2 和下图所示。
体型系数分布（风向角90°）
不同风向角下 体型系数对比
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