影响不对称支撑圆形钢天线风致疲劳寿命的因素

在求得结构不同风向、风速下风致响应以及结构所在位置处的风速风向联合分布函数的基础上,基于经典的疲劳累积损伤理论,对一实际不对称支撑圆形截面钢结构进行风致疲劳寿命估计。通过实例分析的结果,讨论了风向、结构表面粗糙度、涡激共振以及平均风速等重要因素对结构风致疲劳寿命的影响。计算结果表明:1)风向对结构的风致疲劳累积损伤影响较大,在出现概率大的风向区间内造成的疲劳累积损伤较大;2)结构表面粗糙度对结构的风致疲劳寿命影响也较大,疲劳寿命随着表面粗糙度的增加而减小;3)涡激共振对结构的疲劳寿命有一定的影响,在计算结构的风致疲劳寿命时,不应该忽略涡激共振的影响;4)平均风荷载对结构的风致疲劳寿命影响较小。     

考虑焊接残余应力的桅杆结构拉耳节点风致疲劳裂纹萌生寿命评定

提出对评定桅杆结构拉耳节点焊缝处的裂纹萌生累积疲劳损伤程度的方法。在建立桅杆结构拉耳节点风致应力场的多尺度分析方法的基础上,考虑拉耳节点的焊接残余应力,用基于临界面法的应变疲劳分析方法进行在焊接残余应力和纤绳外荷载双重作用下的累积疲劳损伤量的计算,然后依据Mason-coffin公式及Miner疲劳累积损伤准则估算桅杆结构纤绳连接拉耳各不同风向不同平均风速作用下的多轴疲劳累积损伤,由总损伤计算出裂纹萌生寿命。     

基于名义应力法的工业钢烟囱风致疲劳损伤评估

文章基于名义应力法对某工业钢烟囱的风致疲劳安全性能进行了研究,并对于该钢烟囱的风振响应开展了分析。首先,运用通用有限元软件ANSYS建立了工业钢烟囱的杆系模型,并验证杆系模型的可靠性。然后,基于谐波叠加法进行了风速时程的模拟,并考虑钢烟囱所在地实际风速风向联合分布特性对风致疲劳损伤分析的影响。最后,通过雨流计数法、Goodman应力修正、S-N曲线和Pelmgren-miner线性累积损伤理论,并运用名义应力法对工业钢烟囱的顺风向和横风向进行疲劳损伤评估。结果表明,使用名义应力法仅考虑横风向作用时的疲劳寿命为11.1年,横风向和顺风向共同作用时的疲劳寿命为9.09年,工业钢烟囱报告中实际出现裂纹的时间为4年,计算的疲劳寿命与实际裂纹出现时间接近。     

风速风向对风机塔筒结构动力响应和疲劳寿命的影响

基于气象站的观测数据,推导得到某1.25MW风机位置处的风速风向联合分布函数,对风机塔筒结构的风致响应和疲劳寿命进行计算,将计算结果与现场实测结果进行对比,系统研究了风速风向对风机塔筒结构动力响应和疲劳寿命的影响。结果表明:风向对顺风向和横风向位移响应的影响规律不一致,且风向对塔筒结构的疲劳累积损伤影响较大,在风向出现概率较大的区间产生的疲劳累积损伤较大。与考虑风向角下得到的疲劳寿命相比,不考虑风向角影响的疲劳寿命偏小。为了兼顾风机结构设计的可靠性和经济性要求,需考虑风向对风机塔筒结构疲劳寿命的影响。     

悬挑式张弦罩棚结构的风致疲劳分析

悬挑式张弦梁结构是由传统张弦梁结构改进的高效空间结构,其单榀张弦梁结构由上拉索、弦杆以及下抗风索组合而成。由于此类结构的风致振动效应显著,有必要研究其风致疲劳效应的影响。为研究悬挑式张弦罩棚结构的风致疲劳损伤,以某体育场罩棚为研究对象,采用几何缩尺比为1∶150的ABS塑料刚性模型进行B类风场下的风洞试验,得到各测点的风压时程数据,转化为有限元模型的节点风荷载进行风致振动响应分析并得到拉索的应力时程。利用雨流计数法对拉索的应力时程进行统计计数,并结合EuroCode2中所推荐的拉索S-N曲线,采用Miner准则对拉索的疲劳损伤进行线性累积,从而对该悬挑式张弦梁结构中的拉索进行疲劳损伤评估。结果表明：拉索构件的风致疲劳损伤随风向角变化明显,最不利风向角在180°附近;由于拉索构件的几何非线性特性,其疲劳损伤随风速变化呈非线性增长趋势。     

高层建筑基于风速风向联合概率分布作用的风致响应可靠度分析

为研究高层建筑多风向风致加速度满足人体舒适度要求的可靠度,推导了以结构顶部加速度响应均方根值表征的近似解析表达式,建立了风速风向联合分布的概率模型。并以广州西塔高层建筑为算例,结合其工程气象分析及风洞试验等相关资料,通过随机振动理论和曲线拟合方法,得到其在主要风向角下风致顶部加速度响应均方根值与10 m高度平均风速的拟合表达式。在此基础上,考虑平均风速服从Weibull分布,阻尼比服从正态分布条件下,基于条件概率,采用验算点法对此高层建筑在考虑风速风向联合概率分布情况下,满足重现期10年的顶部风致加速度响应(舒适度)要求的可靠度进行了分析,表明结构顶部重现期10年风致加速度失效概率在各方向有明显差别,说明考虑风速风向联合分布的风致结构舒适度失效概率计算的必要性。采用本文的验算点法对本算例高层建筑的可靠度分析,结果表明其对应重现期10年的考虑风速风向联合概率分布情况下满足舒适度要求的可靠度值达99.98%。     

不同风向角下多层冷弯薄壁型钢结构风致响应数值模拟

国内对冷弯薄壁型钢结构风载特性研究已有部分成果,但是风致响应研究较少,特别是不同风向角下多层冷弯薄壁型钢结构的风致响应研究。本文基于AR法原理,在MATLAB中模拟脉动风速时程,通过转化生成结构各高度处的风压时程,并在ANSYS中建立多层冷弯薄壁型钢结构有限元模型,计算不同风向角下多层冷弯薄壁型钢结构的风致动力响应,得到结构顶层的位移、加速度时程,并进行分析。结果表明:1通过模态分析和功率谱对比验证了建模及模拟风速时程的正确性;2五个风向的最大层间位移均满足规范限值,22.5°、45°、67.5°三个风向角的位移响应依次增大,最大位移出现在90°风向角;3在修建冷弯薄壁型钢结构时,应考虑风向带来的影响,据此进行合理布局。     

桅杆结构风振疲劳的时域分析

对桅杆最易发生疲劳损伤的节点做了应力分析,探讨了修正线性准则在桅杆疲劳寿命计算方面的应用及节点参数对其节点疲劳寿命的影响。在各风向上风速服从Weibull分布的随机风作用下,对桅杆有限元模型进行了时域计算,采用雨流法和修正线性准则得到了节点区焊缝的疲劳寿命。     

结构系统风致疲劳寿命可靠性分析

工程结构一般是由很多构件组成的超静定结构。在风荷载作用下,一个或者几个构件发生风致疲劳破坏不一定导致结构系统失效。首先,结合风速风向联合分布等风荷载特征,给出计算结构系统风致疲劳寿命失效概率的计算流程。其次,由风洞试验结果对目前世界最高的电视塔——610m的广州新电视塔的天线结构进行风振响应分析,风振响应计算中考虑塔身结构的振动对天线结构响应的影响。最后,在以上两步分析的基础上,对该天线结构系统的风致疲劳寿命可靠性进行计算。计算结果表明:用阶段疲劳寿命分枝-约界法识别出17个主要失效模式;S-N曲线中随机变量的参数对主要失效模式的失效概率影响较大;用蒙特卡罗方法计算的100年设计寿命相应的这一实际天线结构的风致疲劳失效概率为4.2%左右。     

矩形高层建筑结构横向风振反应的分析计算

本文根据结构随机振动理论,考虑到国外有关规范中根据风洞试验数据提出的横风向脉动风压谱与足尺观测数据有差异的现象[1],根据已经得出的横向湍流脉动风压谱密度函数[2],提出了一个湍流脉动风压作用下结构横风向风振反应的计算方法供参考。采用本文中提出的风振反应计算方法可能不至于漏失结构在非共振风速时较大的风振反应值,从而不至于低估设计基准期内最大风速下的横风向风振加速度反应值。用本文提出的方法针对一个具体的工程实例计算了风振反应值,并与采用国外规范中现行方法的计算结果作了对比。计算结果表明,在出现设计基准期内最大风速时,结构湍流脉动风压诱发的横风向风振可能大于由国外现行规范中公式计算的风振反应值。     

Fatigue life estimation of steel girder of Yangpu cable-stayed Bridge due to buffeting

As the main span of modern cable-stayed bridges becomes longer and longer, the buffeting-induced fatigue damage problem of steel girders located in strong wind regions may have to be taken into consideration in the design of the bridge. This paper presents a method in the mixed frequency–time domain for estimating the fatigue life of steel girders of the Yangpu cable-stayed Bridge due to buffeting. In the suggested method, the joint probability density function of wind speed and wind direction at the deck level of the bridge is first established. The power spectra of the critical stress of the girder are then derived from the power spectra of the generalized coordinates of the bridge for different wind speeds and wind directions. The derived stress spectra are no longer a narrow spectrum when the background component of stress response is included. Thus, the time histories of the critical stress are simulated from their power spectra and the stress cycle distributions are estimated in terms of rainflow count method. The formulae derived based on the modified Miner law and the random vibration theory are finally used for estimating the fatigue life of the bridge girder. The results show that the effects of wind direction on the fatigue life of the Yangpu Bridge are significant. The predicted fatigue life due to buffeting is much longer than the design life of the bridge.     

考虑风速风向联合分布的双坡屋面风致疲劳研究

为研究风荷载作用下大跨度低矮建筑金属屋面板的疲劳损伤分布规律,以坡度为1/60的双坡屋面建筑为研究对象,基于1975～2019年间的风速风向数据,研究了双坡屋面板50年重现期的疲劳损伤累积值。采用Gumbel分布描述日极值风速分布,混合Von Mises分布描述风向分布,并用单参数Archimedean Copula函数描述二者的相关性,得到了风速风向的联合分布; 基于双坡屋面的测压风洞试验结果,考虑连续变化风速和离散风向角对疲劳寿命的影响,研究了金属屋面板的疲劳损伤累积值。结果表明:双坡屋面板疲劳损伤与主导风向、屋面位置等因素密切相关,位于主导风向处的迎风屋檐、边角等气流分离位置的疲劳损伤累积值远大于其他区域; 良态风环境下,该双坡屋面金属屋面板50年风致疲劳损伤累积值最大可达0.746,风荷载可引起迎风屋檐、边角位置金属屋面板的疲劳破坏; 对于金属屋面板而言,风致疲劳破坏是引发风揭事故的巨大隐患,应高度重视。     

武汉体育中心游泳馆屋顶网架结构风致疲劳性能分析

以武汉体育中心游泳馆屋顶网架结构为研究对象,分析其在随机风荷载作用下的疲劳损伤性能。先根据该结构风洞试验结果结合数值模拟得到作用在结构上的风荷载,再利用ANSYS对结构进行应变时程分析,通过雨流计数法进行应变循环历程统计,最后基于Miner损伤准则计算总累加损伤和估算疲劳寿命。据此编制了适用于网架结构疲劳分析的程序,可计算出所有杆件在不同工况下的风致疲劳损伤值和疲劳寿命。为了研究结构在损伤情况下的疲劳性能,分析获得了不同风向角下的易损杆件,假设这些杆件首先发生刚度降低,来分析结构完好、有损伤结构在设计风速和良态风速下的疲劳性能。结果表明:在设计风速下结构完好时,有杆件会发生疲劳损伤或破坏;随着结构刚度降低,发生疲劳损伤和破坏的杆件数量大幅增加;即使是在良态风速下,随着结构刚度降低,在100年建筑使用寿命内也出现了杆件疲劳损伤和破坏;对网架结构来说,特别是当结构有损伤服役时,风致疲劳是结构巨大安全隐患,应引起高度重视。     

风荷载作用下钢塔架的疲劳寿命预估

结构的风致振动使得结构产生围绕平均应力的脉动应力 ,它能导致结构的疲劳累积损伤 ,可能造成结构在低于设计风荷载的各种水平风荷载往复作用下而失效。由于风荷载是钢塔架等钢结构的主要荷载 ,风荷载作用下上述结构的疲劳寿命预估因而是至关重要的。在作了一些简化假设后 ,得到了钢塔架疲劳寿命。由于塔架结构的顺风向响应为宽带过程 ,在考虑了窄带共振响应和宽带背景响应后 ,用等效窄带法得到了其疲劳寿命的计算公式。最后给出了一个疲劳寿命计算的工程实例。     

焊接空间网架结构全寿命期风致疲劳分析

针对焊接空间网架结构在服役期内,随使用年限增加而导致结构刚度逐渐降低,加剧结构风致疲劳损伤,提出对结构进行全寿命期风致疲劳分析,以研究结构整个服役期风致抗疲劳性能,保证结构使用安全。通过分析焊接节点与杆件之间连接刚度随裂缝损伤变化的关系,建立网架结构连接刚度可变模型;通过高周疲劳试验,获得节点与杆件之间焊材的应力-寿命(S-N)曲线及疲劳参数;对结构进行风致响应分析,得到结构杆件连接处的应力时程,利用雨流计数法对应力时程进行循环计数,采用Basquin模型的疲劳寿命估算公式和Miner线性累加损伤理论,得到杆件连接处的累积疲劳损伤值和疲劳寿命。以武汉体育中心游泳馆屋顶网架结构为背景,分析了该结构在无焊接缺陷、有10%的焊接缺陷随机分布和最不利分布三种工况下的100年使用期内,随服役期增加、结构刚度不断降低时的所有杆件疲劳损伤程度。结果表明：网架结构在服役早期,杆件连接处就出现了疲劳损伤和连接刚度降低,随使用年限增加,结构连接刚度进一步降低,疲劳损伤程度也不断加剧,发生连接疲劳破坏的杆件数量大幅增加;特别是有焊接初始缺陷时,结构刚度降低更快,发生连接疲劳破坏的杆件数量更多;即使在良态风环境下,也有杆件连接处发生了疲劳破坏。     

脉动风荷载作用下弦支穹顶结构的疲劳分析

大跨空间结构在风等交变荷载作用下,结构的应力循环交替变化,可能形成结构的疲劳损伤。通过对2008奥运羽毛球馆采用总寿命法进行疲劳分析,结合疲劳分析的基本理论,运用雨流计数法,统计出了应力循环历程,采用Miner线性累积损伤理论,得到了结构在荷载过后的疲劳损伤程度,找到了疲劳危险区域,得出了一些结论。     

风荷载下悬臂挑蓬的整体疲劳分析

针对风荷载下悬臂挑蓬产生整体疲劳的问题,采用基于总寿命法的疲劳寿命分析流程,由线性Miner累积损伤理论计算疲劳损伤指数D,进行了风荷载下疲劳参数的分析。研究发现,结构的各个杆件的疲劳损伤程度的变化规律和疲劳薄弱区位置较为相似;在分析中还发现R值变化会使杆件疲劳损伤值D在一定区域内出现极值现象。     

Wind‐induced fatigue of large HAWT coupled tower–blade structures considering aeroelastic and yaw effects

An efficient approach for predicting wind‐induced fatigue in large horizontal axis wind turbine coupled tower–blade structures subject to aeroelastic and yaw effects is presented. First, aerodynamic loads under yaw conditions are simulated based on the harmonic superposition method and modified blade element momentum theory, in which wind shear, tower shadow, tower–blade interactions, aeroelastic, and rotational effects are taken into account. Then, a nonlinear time‐history of wind‐induced responses under simulated aerodynamic loads is obtained. Finally, based on these results, wind‐induced fatigue damage and lifespan are predicted according to linear cumulative damage theory. For completeness, the influences of mean wind speed, aeroelasticity, and yaw angle on horizontal axis wind turbine fatigue life are discussed. The results indicate that the aerodynamic loads and residual fatigue life can be estimated accurately by the proposed model, which can be used to simulate the 3D wind fields of wind turbines under given wind conditions. The wind energy of the wind turbine blade is mainly concentrated at its edge and is weaker at the hub. Estimation of wind turbine fatigue life is therefore suggested to be based on the component with the shortest life, being the blade root. Furthermore, yaw conditions significantly shorten fatigue life and should not be ignored. Fatigue life is also rather sensitive to mean wind speed.