风载下塔式起重机在建筑物环境的安装位置研究.pdf
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1、78/2023 年第 17 期0 引言塔式起重机(以下简称塔机)是建筑施工中的一种主要水平和垂直运输机械,其工作环境在室外,受自然风荷载的影响较大。钝体建筑物会改变主要风向的流向,是低速不可压缩的流,其周围流场复杂,有撞击、分离、再附、环绕和涡旋等状态。塔机安装在建筑物附近,通过附墙装置与建筑物连接在一起,其所在的风场受建筑物影响,故研究建筑物环境下塔机的安装位置对提高塔机的抗风能力具有重要意义1。本文采用 CFD 计算流体力学,在 Ansys CFX 中建立塔机风场模型,研究在风载建筑物环境下不同水平和垂直方向的安装位置对塔机的影响。1 粘性流动的基本方程粘性是流体的一种物理特性,反映了流体
2、抵抗剪切变形的能力。由牛顿流体的内摩擦定律可知,粘性应力与粘度系数及速度梯度的关系为2 ddy (1)式中:为粘度系数。塔机的工作环境处在大气边界层中,气流在大气边界层中的流动属于湍流,为低速不可压缩的粘性牛顿流风载下塔式起重机在建筑物环境的安装位置研究*王 毅南京铁道职业技术学院 南京 210031摘 要:塔式起重机是一种高耸结构的起重设备,风载作用下建筑物的存在会对塔式起重机造成一定影响。文中构建了建筑物环境下塔式起重机在水平方向 A、B、C 等位置分别受到 Wind+X、Wind+Y、Wind X、Wind Y 等风向的风载模型,得出计算域内风压分布、风速、风向、涡流分布和塔式起重机根部
3、倾覆力矩的情况,总结出建筑物环境下塔式起重机合适的水平安装位置;另外,还构建了建筑物环境下塔式起重机在垂直方向的 D、E、F、G、H 等位置分别受到 Wind+X、Wind+Y、Wind X、Wind Y 等风向的风载模型,得出计算域内风压分布、风速、风向、涡流分布和塔式起重机根部倾覆力矩的情况,总结出建筑物环境下塔式起重机合适的竖直安装位置。关键词:塔式起重机;风载荷;建筑物;安装位置中图分类号:TH213.3 文献标识码:A 文章编号:1001-0785(2023)17-0078-09Abstract:Tower crane is a lifting equipment with a hi
4、gh-rise structure.Under the action of wind load,the existence of buildings will have a certain impact on tower crane.In this paper,the author constructed a wind load model of tower crane subjected to wind directions such as wind+X,wind+Y,wind-X and wind-Y in the horizontal directions,such as A,B,C,e
5、tc.in the building environment,and obtained the wind pressure distribution,wind speed,wind direction,eddy current distribution and overturning moment of tower crane root in the calculation domain,and summarized the suitable horizontal installation position of tower crane in the building environment.
6、In addition,a wind load model of tower crane subjected to wind directions such as wind+X,wind+Y,wind-X and wind-Y in the vertical positions,such as D,E,F,G and H in the building environment was constructed,and the distribution of wind pressure,wind speed,wind direction,eddy current and overturning m
7、oment of tower crane root in the calculation domain were obtained,and the suitable vertical installation position of tower crane in the building environment was summarized.Keywords:tower crane;wind load;buildings;installation position王毅.风载下塔式起重机在建筑物环境的安装位置研究 J.起重运输机械,2023(17):78-86.引 用 格 式*基金项目:南京铁道
8、职业技术学院“青蓝工程”项目资助(QLXJ202102)INSTALLATION AND TESTING安装测试792023 年第 17 期/体。任何流体的流动都遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。1.1 质量守恒方程质量守恒方程的定义是单位时间内流体微元体中质量的增加量等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量,根据这一定律可得出其表达式为 0vwtxyz (2)式中:为密度,t 为时间,、v、w 分别为速度矢量在 x、y、z 方向上的矢量。1.2 动量守恒方程动量守恒方程通常被称为运动方程,该定律可表达为:在单位时间内微元体内流体动量变化率等于作用在微元体的所有外力的和50。动量方程
9、的表达式为yxxxzxxxyyyzyyyzxzzzzdivUFtxxyzvdivvUFtyxyzwdivwUFtzxyz (3)式中:为流体微元体的压力,xx、xy、yz分别为分子粘性作用产生的微元体表面粘性力的分量,Fx、Fy、Fz分别为微元体上的体力。1.3 能量守恒方程能量守恒定律描述为:控制微元体上能量的增加率为体力、面力对其所做的功与进入其内部的净热流量的总和3。该定律的方程表达式为 TpTkdivUTdivgradTStC (4)式中:Cp为流体比热容;T 为温度;k 为流体传热系数;ST为流体粘性耗散项,主要指流体在运动时由黏性作用机械能转化为内能的部分。能量守恒方程虽为塔机风场
10、求解的基本控制方程之一,但本文所用流体为不可压缩气体,热交换量较小可忽略不计,所以数值模拟计算时只需联立动量方程和质量方程,无需考虑能量方程。2 构建模型为精确模拟塔机在真实风场中的风载分布情况,按 1:1 比例在 Pro E 中建立简易 QTZ5010 塔机的几何模型,该模型省去了驾驶室、拉杆、法兰、螺栓和回转支撑系统等部件,塔机简易模型如图 1 所示。塔机高度为35 m,标准节为 1.4 m1.4 m2.4 m,标准节主肢选用 13510 的方钢,标准节斜腹杆采用 604 方钢,起重臂长为 28 m,上弦杆采用 808 的圆管,下弦杆采用 10010 的方钢,起重臂斜腹杆采用 604 的圆
11、管。图 1 塔机简易模型图风 场 计 算 域 设 置 为 125 m120 m50 m。将塔机 Pro E 模型保存为.iges 格式,将几何模型导入Workbench 软件设计模块(DM),并构建风场环境,建筑物4尺寸为 8 m8 m20 m,将塔机放在计算域风流动方向三分之一处,计算模型图如 2 所示。网格采用ICEM CFD自动划分网格,网格质量达到0.02 m以上,网格节点总数为 3 668 152,网格单元总数量 21 813 652,网格如图 3 所示。在计算域模型中,流体质量密度(空气)取值为 1.29 kg/m3,粘度系数取 1.7910-5 kg/(ms)。INSTALLAT
12、ION AND TESTING安装测试80/2023 年第 17 期图 2 计算模型图 图 3 计算模型网格图3 塔机与单个建筑物水平位置关系建立图 4 所示塔机在有建筑物环境下的风场模型。模拟塔机的 A、B、C 等位置,其中 A 处为正对建筑物中间位置,B 处偏离 A 处 2 m,C 处偏离 B 处 2 m,分别受到Wind+X(0风向角)、Wind+Y(90风向角)、Wind-X(180风向角)、Wind-Y(270风向角)等4 种风向风时风压分布、风速、风向、涡流分布和塔机根部倾覆力矩的情况5。图 4 安装位置示意图3.1 Wind+X 风向(0 风向角)采用 CFX 模拟塔机位于 A、
13、B、C 等位置受 Wind+X 风向风时的风场规律。表 1 为塔机在各安装位置的风环境规律统计表,图 5 所示为 10 m 高度处的流场风速云图。由图 5 可知,通过观察速度云图的颜色可以初步了解流体在不同位置的速度和,从而判断流场的特征。A 位置的最大风速为 72.45 m/s,B 位置的最大风速为72.56 m/s,C 位置的最大风速为 73.33 m/s;由此表明最大风速 VAmax VBmax VCmax,即在 A 位置的最大风速最小,B 位置次之,C 位置最大。由表 1 可知,塔机受 Wind+X 风向风时,其根部的倾覆力矩表现为 MA MB MC,即在 A 位置的倾覆力矩最小,B
14、位置次之,C 位置最大。最大压力差 C 位置最小,其次是 A 位置,B 位置最大。因此,在受 Wind+X风向风时,塔机相对于建筑物,安装在A位置最合适。(a)A 位置 (b)B 位置 (c)C 位置图 5 流场 10 m 高度处的风速云图INSTALLATION AND TESTING安装测试812023 年第 17 期/表 1 塔机在各安装位置的风环境规律3.2 Wind+Y 风向(90 风向角)采用 CFX 模拟塔机位于 A、B、C 等位置受 Wind+Y 风向风时的风场规律。表 2 为塔机在各安装位置的风环境规律统计表,图 6 为流场中心面压强云图。由图 6 可知,不同颜色代表压强大小
15、值不同,红色代表压强值很大,A 位置最大风压为 1.885103 Pa,最小风压为-3.215103 Pa;B 位置最大风压为 1.782103 Pa,最小风压为-3.141103 Pa;C 位置最大风压为1.825103 Pa,最 小 风 压 为-3.013103 Pa,即 PBmax PCmax PAmax,表明最大压力差在 C 位置最小,其次是 B 位置,A 位置最大。由表 2 可知,塔机受 Wind+Y 风向风时,塔机根部的倾覆力矩 MC MB MA,即在 C 位置最小,B 位置次之,A 位置最大;由此表明最大风速 VCmax VBmax VAmax,即在 C 位置最小,B 位置次之,
16、A 位置最大。因此,在受 Wind+Y 风向风时,A 位置弱于 B、C 位置,但考虑到 Wind+Y 风向(90风向角)与 Wind-Y 风向(270风向角)的关联性,需综合分析。(a)A 位置(b)B 位置(c)C 位置图 6 流场中心面压强云图表 2 塔机在各安装位置的风环境规律3.3 Wind-X 风向(180 风向角)采 用 CFX 模 拟 塔 机 位 于 A、B、C 位 置 受Wind-X 风向风时的风场规律。图 7 为流场中心面风速流线图,表 3 为塔机在各安装位置的风环境规律统计表。图 7 反映了空气中气流的真实运动情况,A 位置的最大风速为 67.11 m/s,B 位置的最大风
17、速为 66.77 m/s,C 位置的最大风速为 67.82 m/s;由此表明最大风速VBmax VAmax VCmax,即在 B 位置最小,A 位置次之,C 位置最大。(a)A 位置(b)B 位置安装位置根部倾覆力矩 /(Nm)最大风压差/Pa 最大风速比A1.4181065.4361031.449B1.4571065.7391031.451 2C1.4541065.3841031.466 6安装位置根部倾覆力矩 /(Nm)最大风压差/Pa 最大风速比A1.6091065.11031.441B1.581064.9231031.384 2C1.5611064.8381031.387 4INSTA
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