极端天气条件下的高杆灯运行可靠性分析

摘 要 : 高杆灯对于风载荷比较敏感尤 其是多风强腐蚀的沿海地 区 , 细 长的 自支撑式直立结 构 , 受频繁的风致振动产生的应力 , 可能会导致该结 构疲 劳损伤甚至失效。 本文基于随机风振响应的时程卡 曼涡街 模拟 随机疲劳理论 , 给出了高杆风致疲劳寿命的数值计算方法并进行了可靠性分析 , 得出了高杆灯疲劳寿命及损伤规律。

        引言：高杆灯是城市道路照明比较常用的设施 , 由于高杆灯塔属于高耸塔器。 风载荷对高杆灯这类细长的自支撑 式直立结构 的稳定性是影响巨大的 。 在多风的沿海地 区 , 可能会因为风致振动产生 的循环应力导致高杆灯结 构疲劳损伤 , 甚至失效 。 近年来 , 由于高杆灯倾覆的事 故频发 , 也造成 了 比较严重 的人员与财产损失。 造成高 杆灯安全事故的原 因是多方面的 , 但是由于结构疲劳造 成 的风载荷过载是重要 的原因之一 。 舟山群 岛地区 由于地处大洋 , 暴 雨 、 台风等极端气象条件频发 , 高杆灯安 全事故更加容易发生 , 本研究针对高杆灯塔的结构及其 运行环境 , 基于随机疲劳理论和随机风振响应的时程模 拟 , 在时域 内对高杆灯塔风致疲劳寿命进行估算 , 并针 对高杆灯进行了可靠性分析 , 得 出了该灯塔的疲劳寿命 及损伤规律 。 

2、基本风振响应的时程模拟方法 实际应用 当中发现 , 影响高杆灯强度的最大的也是 最关键的因素是风载荷。 平均风和脉动风构成了 自然 界 的风 , 而 脉动风是引起结构风振与风致疲 劳的原 因之 一 , 其强度按随机规律 随时间变化 。 根据高耸塔器的 结构 以及不 同的风振机理 , 高耸塔器的风振响应通常分 为两个方向 , 即顺风向和横风 向。 就目前来看 , 风振响 应时程模拟方法在顺风 向运用 较为成熟 , 可通过如谐波 叠加法、 自回归法等平稳随机过程的数值模 拟方法来获 得脉动风载荷时程样本 , 进而通过动力学分析方法获得 风振时程响应。 在 风力作用下 , 露 天放置的塔器背风面两侧将交替 产生旋涡 , 随后脱离并形成一列顺 时针和一列逆时针的 有规律的漩涡尾流 , 这一现象就是卡曼 涡街 ( 或涡列 ) 。 卡曼涡街 的交替产生和脱离 , 使塔设备在与风向相 垂直 的方向上产生 振动 。 一旦塔设备固有频率和振动频率相 等 , 便会引发共振 , 使塔设备摇晃 , 甚 至使塔设备失效 。 顺风 向风振响应与横风 向风振响应相 比 , 除了横风风振 机理 比较复杂之 外 , 大体上相 似。 

       因此横风向风振响应 的时程模拟大体上仍可按顺风向模拟方法进行 , 但其模 拟细节较为繁琐 。 本 文模拟横风向风振响应的理论基础 , 是基于高耸塔器这种高耸结构会受到静止 结构尾 流中的 旋涡 脱落所引起 的载荷 以及来流紊流引起的载荷这两种 横风 向载荷的叠加作用 。 假定这两种激励相 互独立 , 则 在平稳随机过程数值模拟方法 中的横风 向风载荷功率谱 矩阵 S L 可写成如下形式: S L ! S L z + S L Z 式中 , S L I 为旋涡 脱落载荷谱矩阵 , SLZ 为来流紊 流载荷谱矩阵。 上式仅适用 于塔体振动较小时所受的载荷。 若 因共 振导致塔体大幅振动时 , 必须考虑气动 弹性的影响。 这 时结构的总 阻尼 比为: 屯= 砚+ 吼 式中 , 认是总 阻尼 比 , 毛, 是结构 阻尼 比 , 认是气动 阻尼 比。 灯塔自振周期计算 沿高度质量近似均匀分布的对称结构塔式设备 , 其 基本振型 自振周期 , 可以按下 2 式计算 : ` 二 ; 厂哥当塔式设备基本数据不能直接测量得到 , 缺乏部分 基础数据时 , 可采 用 T o 代替 T 。 由于临长路 25M 半 自动升降式高杆灯的部分数据缺 失 , 本文采用TO代替 T , 通过计算得出临长路 25M 半 自动升 降式高杆灯的基本振型自振周期为0.05655 。 

3 、风载荷的时程模拟 在模拟时 , 将塔体简化成圆柱体 , 取高度 17m处截 面为研究对象 , 即整体高度约三分之二处 , 塔型设备摆 动最强 烈处。 为 了使外流场不污染计算结果 , 网格的划 分采 用结构化 网格 , 并采用 涡流专用 的 p a ve 画法 。 计109工程科技与产 业发展 科技经济导刊 2016. 01 期 算域内网格节点数为 6741个 。 采用 层流模型 , 非稳态 计算 , 为了提高精度 , 可以准确捕捉涡 的脱落 , 并采 用 非稳态方程二阶隐式。 

3 . 1 、边界条件及初始条件 计算域的人口采用人流条件 , 人口条件为速度人口 , 人口速度分别为 sms/ , 20m s/ , 35ms/ 。 出口采用出流条件 , 外流远离固体边界及管道流动充分发展的情况下 , 出口为自由出流。 固体边界采 用无滑移条件。 初始条件 (t 一 。 时 ) 为 : u 一 u i n l e t , p 一 C O ns t 。 选用 20 ℃时的空气作为流体介质 , 在模拟过程中只卡曼涡街的结构做具 体分析 , 不考虑其他因素的影 响。 材料为空 气 , 密度为 1 . 2 0 k g / m3 , 粘 度 为 l · 7 8 94 e 一 Os k g / m * s [5 ] 。 

3 . 2 、模拟结果 及讨论 当圆柱形 的塔设备受到风载荷的冲击时 , 塔设备横 截面不同部位的风速是变化 的 , 如 图 1 。 

在迎风侧的 A 点 风速为 O , 当风沿塔表面由 A 到 B 绕行时 , 风速不断 增加 , 但从 B 点 到 D 点 , 即在塔的背后 , 流速又不断减小。 而 塔设备横截面不 同部位的风压变化规律正 好与风速 相 反 : 风压最高点 为 A 点 , 沿塔表面 , 由 A 点 向 B 点 , 风压不断降低 , 而从 B 点 向 D 点 , 风压又 不断升高。 B “图 1 风 绕O圆柱形塔设 备示 意图 塔的表 面存在着一层边界层 , 边界层 内各点 处的速 度沿着经向由零逐渐增大 , 直到边界层各点 的速度与层 外的主 流体的速度相 等。 在灯塔的前半周 (A 点 到 B 点 ) , 虽 然边界层 内的流速 由于层 内的粘性摩擦力的作用 不断 降低 , 但是层外的主 流体的流速还是逐渐增大的 , 因 此 层 内的流体还是能从主流体获取能量从而导致速度的不 断下 降。 然而 , 在灯塔的后半周 (B 点到 D 点 ) , 主流体 自身的速度不断减小的原 因导致层内的流体不能获取 足 够的能量 , 再加上 由于粘性摩擦力的影响 , 使得层 内流 体的速度不断地减小 , 最后导致 C 点 处得边界层流体的 加厚和堆积现象的出现。 当外层主流体将绕过堆积 的 边界层 时其背后形会成一空 白区 , 流体在逆 向压强梯度 的作用 下会倒流至空 白区 , 并推动堆积层 的流体 , 这样 , 一个旋涡 就在塔体背后的一侧形成了 。 当最先形成的漩 涡从塔体表面脱落沿下游移动时 , 旋转方向相 反的旋涡 在塔体背后的对称位置处开始形成。 

       随着交替产生 的漩 涡 的脱离 , 会形成一列顺时针和一列逆时针的有规律 的 漩涡尾 流 , 由此形成了卡曼 涡街。 在出现卡曼 涡街时 , 塔两侧 的流体 阻力不相 同并呈周期性 的变化 。 在 阻力大 的一侧 , 由于 阻力导致绕流较差 , 流速下 降 , 产生 相对 较高静压强 ; 而 阻力小的一侧则相 反 , 由此 , 在静压力 的作用 下 , 阻力大的一侧将产生 一垂直于风 向的力。 随 着漩涡 的脱离与生 成 , 在另 一侧也产生 一垂直于风向的 力 , 力的方 向与上述方向相 反 , 从而 使塔设备在沿风向 的垂直方向不断循环产生 相 反力 , 由此造成塔体 的横 向 振动。通过模型计算可以得到在风速为 7 m s/ 条件下 , 在 T 一 4 . 03 05 时 , 塔体背 后的上侧有旋涡 正 要形成 , 而 下 侧的旋涡 刚刚脱落 ; T 一 4 . 0 5 05 时上侧出现完整 的旋涡 , 而 下侧塔体背后逐渐壮大 ; 到 T 一 4 . 805 时原上侧旋涡开 始脱落; 到 T 一 4 . 905 时塔体背后的上侧的旋涡 刚刚脱落 , 而 下侧有旋涡 正要形成。 从以上的结果不难发现一个旋 涡 从开始生 成到完全脱落所需要 的时间大约是 0 . 13 75 , 由此可 以大体上推知塔设备在沿风向的垂直方向产生横 向振动的周期为 0 . 1375 。 在 风 速 为 20 m s/ 条 件 下 , 在 T 一 4 . 沥 0s 时 , 塔 体背后 的下 侧有旋 涡 开始形成 , 而 上侧的旋涡 刚刚脱 落 ; T 一 4 . 06 15 时下 侧 出现完整 的旋涡 , 而 上 侧塔体背 后逐渐壮大 ; 到 T 一 4 . 0 645 时原 下侧旋涡 开始脱落 ; 到 T 一 4 . 07 05 时塔体背后的下 侧的旋 涡 刚刚脱落 , 而上侧 有旋 涡正要形成。 从以上的结果不难发现一个旋涡 从开 始生成 到完全脱落所需要 的时 间大约是 0 . 035 , 由此可 以大体上推知塔设备在沿风向的垂直方向产生横 向振动 的周期为 0 . 035 。

4、灯塔疲劳寿命分析 本文采用英 国标准 B S 5 5 0 6[] 中的疲 劳曲 线对灯塔 进行疲劳寿命分析 , 见 图 2 。 

1扩、 呷 。级八U鱼目/ , 导共侧仍 一了} 10 , 10, l口 10` 10卜 I J I了 图 Z B s 5 5 0 0 中的疲劳曲线 (E = Zo g G P a ) 由此 , 针对 2 5M 半 自动升降式高杆灯选择相应等级 的疲劳曲线 , 并结合各风速下危险截面的应力循环 , 便 110科技经济导刊 20 16 . 01 期 工程科技与产业发展 可对该塔器疲劳寿命计算。 通过不同风速下 的旋涡 交替周期 , 即塔设备横 向振 动 的周期可 以看 出, 临长路 2 5M 半 自动升降式高杆灯 的基本振型 自振周期在风速 5一 20 m s/ 范围 内。 由于风 速 一 横 向振动的周期曲线为非线性曲线 , 根据模拟结果 计算可得与高杆灯的基本振型 自振周期相 同 的风速约为 12 m s/ , 即风力为 6 级左右。 接近此风速 下 时 , 塔体就 会发生共振 , 造成风诱发振动 , 导致塔体摇晃 , 发生 倒塌 , 断裂等设备失效。 

      根据舟山地 区 2 01 0一 2 01 4 年 5 年气象统计 , 每年 6 级 风天气平均约为 32 天 , 根据模拟结果判断 , 临 长路 2 5M 半 自动升 降式高杆灯的设备失效风险较高 。 通过研究表明 , 较大 的风载荷加速高杆灯的损伤 , 使其可靠性大幅度降低 , 舟 山地 区较频发生 的台风及强 风天气也会导致高杆灯提前达到使用 寿命 , 所 以对于海 岛型气象条件下 , 使用 高杆灯作为照 明设备 , 一定要对 设计和材料强度进行重 新优化 , 并针对使用地域等设定 相 关的国家或者是行业标准 , 才能避免和减少相 关事故 的发生 。

 5、结束语。当高杆灯存在较为严重 的缺陷或者较大 的应力集 中 时 , 其承载能力将大幅度 降低 , 高杆灯可能因为多次较 强 的强 风载荷作用而产生明显的疲劳损伤甚 至疲 劳失 效。 鉴于高杆照明设施使用 的范围和地点 的特殊性 , 在 极端天气下尤其应该注意预防高杆灯风致疲劳失效 , 对于即将到达使用 寿命的高杆灯应尽早拆 除, 以防造成不 必要的生命财产损失。