馮立環(huán) (中藍連海設計研究院 222004)

塔器上所受基本風壓分布參數(shù)的確定分析

馮立環(huán) (中藍連海設計研究院 222004)

風壓分布是塔器設計的重點內(nèi)容之一，本文基于這一背景，簡單闡述了風壓的定義，分析了影響風壓分布的幾個因素，并在此基礎上提出了基本風壓分布參數(shù)的概念與初步設計要點。旨在完善風壓分布參數(shù)設計方式，提升設計有效性。

風壓分布；塔器；參數(shù)設計

風壓指的是由于受到建筑物等物體抵擋，風無法從中穿過造成的四周空氣阻力增大情況，這種情況下動壓會下滑，靜壓隨之升高。在這種條件下，背面以及側面所出現(xiàn)的局部渦流靜壓下滑狀態(tài)相較于遠處由于遮擋物受到干擾的氣流而言，這類靜壓的降低與升高變化即為風壓。換言之，風壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的來自流動風的壓力。對于塔器而言，由于其是由支座、封頭以及筒體等構件組合而成，屬于圓筒形狀態(tài)且體積較大，因此難免會對風力造成一定影響，其風壓也會由于各種因素產(chǎn)生變化。本文以此為背景，針對塔器上風壓分布參數(shù)的設定展開如下研究：

一、風壓分布影響因素研究

表一：平均風速年極大值

1.塔器本身外形影響

之前說到，風在流動過程中受到阻擋而產(chǎn)生風壓，也就是說，風流動情況下會受到不同形態(tài)的阻擋物，因此對于塔器而言，其阻擋效果與其它建筑物阻擋可能不盡相同。在基本風壓中，并沒有將塔器結構、形態(tài)等因素作為影響風壓的考慮因素，塔器在不同環(huán)境下呈現(xiàn)出的形狀、高度、表面積等因素不同，在同樣風速條件下，其風壓值也是不同的。通常而言，塔器屬于圓筒形狀，相關實驗研究結論對影響程度按照雷諾數(shù)來表示，標記為Re。通常而言，當雷諾數(shù)的值在1.5*105以下時（包含此值），K1值取1.2；當雷諾數(shù)的值在4*105以上時（包含此值），K1值取0.7。

由此可見，風壓分布大小狀態(tài)受到高度變化系數(shù)、基本風壓以及形體系數(shù)影響，其中基本風壓也可以被稱作為平均風速極大值。這類影響的決定性因素在于風的靜力性質，也就是說，在平均風速極大值下，風壓能夠使用以下公式來表達：

風壓=K1∫zq0

2.平均風對風壓分布的影響

在實施可靠性設計過程中，第一步應該是實際測量平均風速的年度極大值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)應結合當?shù)仫L速測量狀態(tài)記錄來完善，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)較大偏差。例如在某地區(qū)測量時，已經(jīng)得到了僅幾十年內(nèi)的平均風速記錄，將樣本容量定位23個，則可以按照下表來表示（見表1）。但如果塔器的存在點并不在其中心范圍內(nèi)，則在收集到平均風速年極大值的樣本之后還應注意其分布狀態(tài)以及分布相關參數(shù)，之后的步驟相同。

二、風壓分布參數(shù)概念與初步設計

在完成一項壓力容器的設計過程中，尤其是可靠性強度設計，首先應對樣本實施有效的搜集、統(tǒng)計、管理以及處理，例如樣本的基本風壓、操作壓力、操作質量、各類型尺寸以及在地震狀態(tài)下的最大地面水平加速度。同時，在設計風壓時還應注意到樣本的分布狀態(tài)以及參數(shù)設置。在風壓參數(shù)分布的設計方面，主要應從以下幾個角度去考慮：

對于一個壓力容器而言，塔器在存在過程中必然會對風產(chǎn)生阻擋影響，當風運動途中受到塔器影響產(chǎn)生風荷載時，塔器筒體表層會受到歪曲狀態(tài)的應力。換言之，相當于風作為一個外來侵入力量，將塔器向風運動方向產(chǎn)生了“推動”作用力，讓塔身受到應力。風荷載屬于隨機荷載的一種，并不會屬于相同狀態(tài)，也就是說，在不同時間、不同環(huán)境下風力荷載產(chǎn)生的作用力并不相同。另外，即使是在相似甚至相同環(huán)境中，不同次作用的風力荷載也很少發(fā)現(xiàn)存在性質與大小與之前發(fā)生過的荷載力相一致情況。因此，風荷載的數(shù)據(jù)計算必須用到高等數(shù)學中的概率統(tǒng)計方法。研究者發(fā)現(xiàn)，在此方面風荷載能夠表示為風壓與塔器自身結構的迎風面積的乘積，使用公式可表達為：

在上述公式中，Q表示的是空氣密度，空氣密度受到測量點高度以及周圍環(huán)境的影響，應該視當時情況而定或是取多個月/年平均值。同時注意夏冬兩季空氣密度的差異性。V表示平均風速，需要在塔身部位測量一段時間后才能夠得出，并且注意測量方案的設定，測量必須包含到早中晚以及半夜這四個時間段，并且注意季節(jié)變化或是天氣變化，若在測量研究期間出現(xiàn)了強風、暴雨等天氣應將其適當刪減，不作為平均風速的計算；但若這種天氣屬于多發(fā)現(xiàn)象則可使用。K1表示的是體形系數(shù)，這里的體型指的是塔器本身的形狀，之前說過，塔器自身形狀以及表面積會影響到受風力的荷載力量，因此塔器的體型理應加入到風壓分布參數(shù)計算中。本次研究中，由于目標對象為塔器，因此當對塔器實施K1計算時，將fZ設定為高度變化系數(shù)，表示塔器本身高度對荷載應力產(chǎn)生的影響，將塔身高度這一因素計算在內(nèi)；K1設定為0.5，這是一個參數(shù)取值，在公式計算中可直接使用0.5來做運算；K2i設定為風振系數(shù)，這屬于風力本身所產(chǎn)生的影響，將風本身的影響因素也歸為其中。

由此可見，風壓受到多種因素影響，例如塔器本身形體系數(shù)、高度變化、空氣密度、風速等等。其中，在風速的取值方面理應根據(jù)當?shù)仫L速測量記錄合理選取，按照觀測資料選擇平均風速一年中的極大值。因此，平均風速極大值與風壓之間的關系并不會呈現(xiàn)出線性狀態(tài)。換言之，如果已經(jīng)將平均風速極大值的分布參數(shù)計算出來了，也就是將q0的分布參數(shù)計算出來了。但由于塔器自身迎風面積的計算方式為線性尺寸的乘積，因此在具體可靠性強度設計中理應將其變差系數(shù)忽略掉，否則難以求出范圍值。由此不難看出，風壓與風荷載之間還是能夠看作是線性關系的，則當研究者得到了q0的分布參數(shù)之后，通過接下來的計算同樣能夠得到風荷載的分布參數(shù)。

結束語

風壓分布參數(shù)會受到多種因素影響，例如塔器本身高度、形狀以及表面積等，相關設計人員應在注重平均風速年極大值的分析基礎上統(tǒng)籌設計，讓參數(shù)分布更為合理化。

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