风致诱导振动讲解
高耸塔器风致振动的现场实测与疲劳分析
高耸塔器风致振动的现场实测与疲劳分析徐乐;谭蔚;贾占斌;杜怡安;樊显涛【摘要】The field measurement and fatigue calculation and analysis of a wind-induced vibration of a 75m-high rectifying tower were implemented, including making use of wireless dynamic strain gage and random dec-rement method to get modal parameter of the tower and adopting high-speed static strain indicator to measure the tower' s stress strain in vibration.Results showed that, the tower can resist the vibration damage caused by the across-wind resonance.Calculating and analyzing this wind-induced vibration through combining the code stipulation with field measurement can accurately evaluate the across wind-induced fatigue damage to the tower suspended or in maintenance condition.This method can provide a reference for analyzing wind-induced tower vibration.%针对某一高度约为75m的精馏塔在检修时的风致振动进行了现场实测和疲劳计算分析.利用无线动态应变仪,结合随机减量法获得塔器的模态参数,利用高速静态应变仪测得塔器振动时的应力应变.结果表明,该精馏塔在检修状态下可以抵抗横风向共振引发的疲劳破坏.采用现场测试与标准相结合对塔器风致振动进行计算分析,可以较为准确地评估空塔或检修条件下塔器横风向振动可能引起的疲劳破坏,该研究方法可为塔器风致振动分析提供参考.【期刊名称】《化工机械》【年(卷),期】2017(044)006【总页数】5页(P686-689,704)【关键词】高耸塔器;风致振动;现场实测;疲劳分析【作者】徐乐;谭蔚;贾占斌;杜怡安;樊显涛【作者单位】天津大学化工学院;天津大学化工学院;天津大学化工学院;天津大学化工学院;天津大学化工学院【正文语种】中文【中图分类】TQ053.5塔器是化工行业中典型的高耸设备，一般安装在室外，在工作时会同时受到顺风向与横风向风荷载的作用。
风致诱导振动讲解
二、塔设备的振动
两种
顺风向振动
横向振动 （风致诱导振动）
三、风致诱导振动机理
（1）诱导振动的流体力学原理（卡曼漩涡）
风速与风压的变化
风速： 迎风侧：B点风速为0，B到C风速不断增加； 背风侧：C到F风速不断减小
风压： 与风速正好相反，B点最高，B到C风压不 断降低；C点到F点，其压力不断升高
边界层的堆积
所以当旋涡脱落的频率与它的任意振型的固有频率一致时，塔就会产生共振。
fv
Sr
D
思考：
如何防振？
四、塔设备的防振措施
如果塔设备产生共振，轻者使塔产 生严重弯曲、倾斜，塔板效率下降，影 响塔设备的正常操作，重者使塔设备导 致严重破坏，造成事故。
由于直立高耸设备安装就位后的裸 塔极易发生振动,给装置的安全运行带来 隐患。所以必须采取一定的防振措施。
➢ 高鸿海， 姜锦玲 塔振动与卡曼旋涡的解决办法 .英文刊名： GANSU SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)： 2005,21(6)
➢ 郑津洋.董其伍.桑芝富.过程设备设计.第三版
➢ 百百科
结束
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塔设备的风致诱导振动机理及工 程防振措施
一、团队分工介绍
组长：李辉 PPT制作：许静 PPT顾问：陈聪 PPT优化：邹远辉、彭志权 资料收集： 振动机理部分：李辉、陈聪、黄佳平、
曹奇敏、曾世荣 防振措施部分：鲁钊、江生林、张建
Content
一、团队分工介绍 二、塔设备的振动 三、风致诱导振动机理 四、塔设备的防振措施 五、参考文献
当一侧漩涡脱落后，另一沿风向的垂直方向产生振动，称之为横向振动。显 然，其振动的频率就等于旋涡形成或脱落的频率。
塔器振动产生的原因及防振措施
塔器振动产生的原因及防振措施张银顺【摘要】高径比较大的塔式容器在受地震载荷和风载荷作用时对设备本体的受力将会产生较大影响,其产生的弯曲应力有可能会超过设备本身的压力载荷成为影响设备安全运行的主要载荷.另外,横风向风力作用产生的设备共振对于高径比较大的设备也是影响其安全的主要因素.对塔设备横风向共振产生的原因进行一个简单的概述,并通过对两台高径比不同塔式设备简单的共振计算来对产生共振的倾向性进行对比分析,并提出必要的防振措施.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2017(030)005【总页数】3页(P102-104)【关键词】塔器;风载荷;风振;临界风速【作者】张银顺【作者单位】兰州兰石重型装备股份有限公司,甘肃兰州 730314【正文语种】中文【中图分类】TH49塔式容器[1]是化工及炼油装置中重要的设备种类之一，主要完成生产中热量、能量、质量等的传递和反应等用途。
其主要由筒体、封头、裙座、塔内件及各种附件等组成，一般以裙座独立支承的方式置于装置内。
塔器所受载荷及受力方式也与一般容器有很大的差别，当地震载荷及风载荷这些变量载荷加载于设备上时，除了这些侧向载荷在塔壳和裙座壳截面中产生弯曲应力外，还有一个特征就是这些载荷会使结构产生加速度而使设备产生振动，高径比越大的塔式设备受这些载荷的影响也愈大。
在塔式容器的应用中无论设计方还是使用方都在尽力避免塔器发生共振，因为塔式设备一旦发生共振对其本身的危害性是十分严重的，轻者发生管线法兰泄漏、地脚螺栓松动等问题，严重时则会发生设备失效，装置无法正常运行的情况，甚至出现设备发生疲劳破坏导致设备出现严重事故等问题。
本文简述塔器振动产生的原因及如何避免等问题。
室外放置的独立、高耸塔式设备在风力作用下将会产生振动方向与风的流向一致的顺风向振动及振动的方向与风的流向垂直的横风向振动。
顺风向风力有平均风和脉动风两种[2]，这两者作用在设备上所产生作用力的性质是不同的，在常规设计中平均风的作用按静载荷来考虑，但脉动风所产生的载荷为动力载荷，设备在脉动风作用的产生的振动称为结构风振，由此可认为顺风向产生风振的主导因素为脉动风。
V2第七讲：典型风致振动类型
美好的回忆☆刚性模型测压试验主要试验设备及原理，刚性模型测压试验原理及方法☆刚性模型测力试验测力天平及其原理基本测试数据处理☆气动弹性模型试验简介美好的回忆风工程概论主讲人：马文勇第七讲：典型风致振动现象The Introduction of Wind Engineering闲话振动人类所能感知的世界中有静止的物质吗？物质世界中有绝对参考系吗？其实我们可以感知的世界可能也许大概只是其中的及其微小的一部分，所以无论如何，我们要首先承认自己相当无知的运动（或者波动）是存在的必然或者说唯一形式吗？倘若有绝对静止的物质，我们如何感知它的存在？以下部分纯属讨论但是大家无需悲观，即使研究这其中及其微小的一部分，也是充满了乐趣并且是及其有意义的！例如这及其微小的一部分中的微乎其微的一个方向，风致振动！闲话振动光闲话振动声闲话振动味为什么说曹操曹操就能到？偶然，巧合科学家们相信这个世界上没有偶然概述☆来流作用在结构上引起的结构的振动现象称为风致振动结构为什么会振动，何为振动？为什么风会引起结构的振动？风是如何引起结构振动的？概述☆什么是振动？在自然界、工程技术、日常生活和社会生活中普遍存在着物体的往复运动或状态的循环变化，这类现象称为振荡（Oscillations），振动（Vibrations）是一种特殊的振荡，即平衡位置微小或者有限的振荡。
～～《非线性振动》刘延柱、陈立群编写结构振动概述☆结构为什么会振动？该问题等同于问鸡为什么会下蛋，任何结构都是有特定的振动能力或者潜力！问题在于能不能、靠什么东西来激发它，或者能不能、靠什么方式来阻止它！概述概述概述概述概述概述概述概述☆什么因素有可能引起结构的振动？地震风海浪雨雪等自然条件行车设备撞击其他人类活动结构振动MKx f22d x dxM C Kx f dt dt++=0df dt =Kx f=00K C ==22d xM f dt =00K C =≠d x dxMC f dt dt+=00K C ≠=22d xMKx f dt +=22d x dxM C Kx f dt dt++=M ，C ，K结构振动220d xM Kx dt +=cos()x A t ωφ=+2cos()cos()0MA t KA t ωωφωφ-+++=2cos()cos()0M t K t ωωφωφ-+++=K Mω=220d x dxMC Kx dt dt++=000M C K >>>稳定M orC orK <<<不稳定结构振动分类的标准是荷载对结构参数影响的分类结构振动22wd x dxM C Kx f dt dt++=w f 对M 、C 、K 无任何影响w f 改变了结构参数或者结构运动改变了强迫w f 气动刚度气动质量气动阻尼212342w d x dxf a a a x a dt dt=+++()()()212342d x dxM a C a K a x a dt dt-+-+-=自激结构振动☆来流作用在结构上引起的结构的振动现象称为风致振动来流的状态结构的状态顺风向，横风向的一般规定风致振动的分类☆按照结构机制分类抖振（Buffeting）涡激振动（Vortex-excited vibration ）驰振（Galloping ）颤振（Flutter）斜拉索风雨振（Rain-wind induced vibration）等其他已知及未知的振动形式结构振动抖振是来流中的脉动风速分量作用在结构上产生的一种强迫振动形式。
《风致振动简述》课件
案例二：聚集生产用厂房风致振动控制方法 探讨
探讨对聚集生产用厂房进行风致振动控制的方法和效果， 以案例为基础进行分析。
结论
1 风致振动的重要性和应对措施
总结风致振动的重要性，提出应对措施和建议，保障建筑物和人体的安全与健康。
2 未来发展趋势
2 横向方向振动
横向方向振动是指结构物或人体在风力作用下在水平方向上发生的振动。
风致振动的影响
对建筑物结构的影响
风致振动会对建筑物的结构造成损害，可能导致倒塌或功能受限。
对人体的影响
风致振动会对人体的健康和舒适性造成影响，可能引起不适和不安。
风致振动的监测与评估
监测方法详细介绍
了解风致振动的监测方法，包括使用传感器、数据采 集和分析等技术。
展望风致振动领域的未来发展趋势，包括新技术和方法的应用。
《风致振动简述》PPT课 件
风致振动简述 - 了解风对建筑物和人体造成的影响。
概述
什么是风致振动？
风致振动指的是风力引起的结构物或人体周围空气 流动引起的振动现象。
风致振动的来源和产生原因
风致振动的主要来源是风力对结构物产生的作用力 和结构物自身固有的振动特性。
振动分类
1 垂直方向振动
垂直方向振动是指结构物或人体在风力作用下在垂直方向上发生的振动。
评估标准和方法
介绍评估风致振动影响的标准和方法，包括国际和国 内相关标准。
风致振动控制
1
控制策，如增强结构刚度和减轻结构质量。
2
设计控制措施的流程
介绍设计风致振动控制措施的流程，从风环境评估到方案设计的全过程。
风致振动案例分析
案例一：大型建筑物风致振动监测和评估
桥梁风致振动综述
桥梁风致振动综述摘要：桥梁，作为一种连接构造物，从古至今扮演着跨越天堑、连接通达的重要角色。
从最开始的天然桥梁，到慢慢出现的石拱桥，到梁桥板桥，再到现代桥梁结构，桥梁的发展历史悠久，并且成果斐然。
但是在发展的过程中，不可避免的遇到了很多问题，这些问题有些被攻克解决了，还有一些仍未能被人类精确地理解和研究，仍在威胁着桥梁的安全。
本文主要讨论大跨度桥梁的风致振动问题与抗风设计方法。
关键词：桥梁风致振动，大跨度桥梁，桥梁抗风设计一、大跨径桥梁的轻柔化在了解风致振动、风工程之前，我们先要了解，风究竟是什么呢？风是大气边界层内空气流动现象, 并且其流动的速度和方向具有随时间和空间随机变化的特征。
在研究风对桥梁的作用时, 通常把风处理为在一定时距内不随时间变化的平均风和随时间随机变化的脉动风速两部分。
风作用于桥梁结构时, 由风的压力作用形成对结构的风荷载, 同时, 风还会引起桥梁的颤振、驰振、抖振和涡激振动等各种形式的振动。
20世纪，大跨径桥梁得到了发展，然而在这些发展初期，风致振动稳定并没有成为大跨径桥梁的重要控制因素。
直到1940年11月，位于美国华盛顿州、仅建城4个月的塔科马（Tacoma）大桥，在风速甚至不足20m/s的风下，发生了破坏。
这场破坏举世震惊，也第一次让工程师们认识到风对于大跨径桥梁的重要作用。
那么为什么，大跨径桥梁对风的敏感性这么高呢？这里我们要从大跨径桥梁的轻柔化说起。
为了减轻自重，增强跨越能力，比起传统混凝土桥梁，大跨径桥梁通常采用钢结构、钢混组合、结合结构等。
我们知道，钢材料的阻尼（damper）要小于混凝土，那么大跨径桥梁材料的基频也较小，通常为0.08Hz左右，而风的卓越频率在0.1Hz左右，二者比较相近，易产生共振；而相应的，地震卓越频率在1Hz左右，不易于大跨径桥梁产生共振。
这就解释了为什么大跨径桥梁对风作用敏感、对地震作用较不敏感，而小跨境桥梁恰恰与之相反。
二、风工程风工程（wind engineering）是指与自然风有关的生活或工业应用设施等主要涉及自然风的流体力学特性和设施的结构力学特性。
风力机叶片顺风向风致振动研究
式 中的对角项 为各 点的 自功率谱 密度 ， 由已知 的风 速 谱得 到 ， 非对 角 项 为互 功 率谱 密 度 ， 是各 点 脉 动
机 状 态 下 的 叶 片极 限位 移 最 不利 情 况 。 后 指 出本 文 的 方 法 是 一 般 性 的 ， 用 于 风 力 机 叶 片 与 塔 架 的 耦 合 分 析 。 最 可
关键 词 ： 致 振 动 ； 风 随机 振 动 ； 渡 叠 加 法 ； 力 机 叶 片 谐 风
中 图分 类 号 ： ２ ； ２ Ｏ３ ４Ｏ３ ７
第４ ３卷 第 ５期
２１ ０ １年 １ Ｏ月
南 京
航
空
航
天
大
学 学 报
Ｖ ｏ ．４ ｏ．５ １ ３Ｎ ０Ｃ． ２ １ ｔ ０１
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＮａ ｊ ｇ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｆ ｒ ｎ ｕ ｉｓ＆ Ａｓｒ ｎ ｕ ｉｓ ｏ ｒ ａ ｎｉ ｉ ｓｔ ｏ ｏ ｔｏ ａ ｔ ｃ ｎ ｅ ｙ Ａｅ ｏ ａ ｔ ｃ
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（） ２
和 时域两 个 角度 估算 风力 机 叶 片 以及 风 力 机 的极
限位移 。 文首先 讨论 了脉 动风在频 域 与时域 上的 本
Ｓ （ｕ ２ ｃ）
Ｓ 叫 （ ）
处理方 法 。 在频域 上直 接用 风功率谱 获得 位移 功率
这种 划分 ， 风工 程上通 常把 风分 为平均 风和脉 动风 两个 部分 来研究 口 。平 均 风就 是长 周期 的部 分 ， ］ 一 般认 为在 给定 的时 间段 内 ， 速和方 向不变 。平 均 风
第十四讲 桥梁风致振动分析
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
第五节 风振性能检验
5.1 风振稳定性
(1) 驰振临界风速 (2) 扭转颤振临界风速—
* 变号 A2
(3) 耦合颤振临界风速—竖弯和扭转耦合 (4) 涡激共振锁定风速
5.2 风振强度
(1) 抖振引起的强迫力荷载 (2) 涡振引起的自激力荷载 荷载最不利组合
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
第四节 静风性能验算
4.1 静风稳定性—扭转发散
(1) 二维计算模型 (2) 三维计算模型 扭转发散临界风速
4.2 静风强度
(1) 平均风荷载 (2) 脉动风荷载 荷载最不利组合问题
4.2 静风刚度
(1) 侧向静风位移 (2) 竖向静风位移 (3) 扭转静风位移(较小)
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
5.3 风振刚度
(1) 抖振位移 (a) 随机振动分析方法 (b) 节段模型试验法 (c) 全桥模型试验法 (2) 涡振位移 (a) 理论模型计算法 (b) 节段模型试验法 (c) 全桥模型试验法
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
第六节 抗风性能改善
大多数情况下气动导数值
H i*和Ai* (i = 1, 2 , 3, 4 )
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
第三节 动力特性分析
3.1 结构计算模型
(1) 按施工阶段划分(缆索承重桥梁) (a) 桥塔自立状态 (b) 主要拼梁状态 (c) 全桥成桥状态 (2) 按主梁离散划分 (a) 单梁式 (b) 双梁式 (c) 三梁式
λ — 衰减系数， λ = 7 ~ 21
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
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所以当旋涡脱落的频率与它的任意振型的固有频率一致时，塔就会产生共振。
fv
Sr
D
思考：
如何防振？
四、塔设备的防振措施
如果塔设备产生共振，轻者使塔产 生严重弯曲、倾斜，塔板效率下降，影 响塔设备的正常操作，重者使塔设备导 致严重破坏，造成事故。
由于直立高耸设备安装就位后的裸 塔极易发生振动,给装置的安全运行带来 隐患。所以必须采取一定的防振措施。
在塔前半周（A到B）， 边界层内流速下降，层外主流体速度增加 在塔后半周（B到D），主流体本身不断减速 层内流体向主流体获得能量，速度不降 层内流体不能从主流体获得能量，速度下降
C点出现边界层流体的增厚并堆积
漩涡的形成
外层主流的流体绕过堆积的边界层， 使堆积的边界层背后形成一流体的空白 区；
在逆向压强梯度的作用下，流体倒 流至空白区，并推开堆积层的流体，在 塔体的背后就形成了漩涡，这样的漩涡 通常称为卡曼漩涡。
5
Hale Waihona Puke 666 5漩涡的交替产生和脱落
在出现卡曼涡街时，由于塔体两侧旋涡的交替产生和脱落，在塔两侧的流体 阻力是不相同的，并呈周期性的变化。
在阻力大的一侧，即漩涡形成并长大的一侧扰流较差，流速下降，静压强较 高；
而阻力小的一侧，即漩涡脱落的一侧，绕流改善，速度较快，静压力较低， 因而，阻力大（静压强高）的一侧产生一垂直于风向的推力。
➢ 高鸿海， 姜锦玲 塔振动与卡曼旋涡的解决办法 .英文刊名： GANSU SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)： 2005,21(6)
➢ 郑津洋.董其伍.环，这些漩涡在尾流中有规律地交错排列成两行 ，此现象称为卡曼涡街。
(4)300≤Re<3×10 时，进入亚临界区，卡门涡街，塔体产生周期性振动；
(5)3×10≤Re<3.5×10，进入过渡区，旋涡脱落不规则，卡门涡街消失；
5
(6)3.5×10 <Re时，进入超临界区，卡门涡街重新出现，又出现周期性振动。
当一侧漩涡脱落后，另一沿风向的垂直方向产生振动，称之为横向振动。显 然，其振动的频率就等于旋涡形成或脱落的频率。
风速风压 堆积层
Re 卡曼漩涡
(漩涡形成、漩涡脱落）
关键参数
升力、激振频率、临界风速
振动
控 制
（2）升力
由于漩涡交替产生及脱落而在沿风向的垂直方向产生的推力 成为升力。风在沿风向产生的风力成为拽力，通常升力要比拽力大得多。
3、增大塔的阻尼
增加塔的阻尼对控制塔的振动起着很大的作用。
当阻尼增加时塔的振幅会明显下降。当阻尼增加到一定数值后， 振动会完全消失。塔盘上的液体或塔内的填料都是有效的阻尼物。
研究表明，塔盘上的液体可以将振幅减小10%左右。
4、设计时振动分析
而实际上，最经济与最有效的防振措施乃是在设计阶段认真地对 塔设备进行振动分析。在进行工程结构设计时，事先估计到卡曼旋涡 诱发振动的可能性，将有助于我们避免恶性事故的发生。
课题
塔设备的风致诱导振动机理及工 程防振措施
一、团队分工介绍
组长：李辉 PPT制作：许静 PPT顾问：陈聪 PPT优化：邹远辉、彭志权 资料收集： 振动机理部分：李辉、陈聪、黄佳平、
曹奇敏、曾世荣 防振措施部分：鲁钊、江生林、张建
Content
一、团队分工介绍 二、塔设备的振动 三、风致诱导振动机理 四、塔设备的防振措施 五、参考文献
FL CL 2 A / 2
（3）激振频率
在塔的一侧，卡曼漩涡是以一定的频率产生并从圆柱形塔体表面脱落 的，该频率即为塔一侧横向力F作用的频率或塔体的激振频率。由研究表 明，对于单个圆柱体，其漩涡脱落的频率与圆柱体的直径及风速有关。
（4）临界风速
作用在塔体上的升力是交变的，因为升力的频率与漩涡脱落的频率相同，
卡曼涡旋的产生条件：
旋涡特性与雷诺数Re有密切的关系，但只有在 雷诺数达到一定程度时才会形成卡曼涡街。
(1)Re<5时，无旋涡产生；
（2)5≤Re<40时，背风侧出现一对稳定的旋涡；
（3)40≤Re<150时,塔体背后一侧先形成一个漩涡，在他从塔体脱落并向下游 移动时，塔体背后的另一侧的对称位置处形成一个旋转方向相反的漩涡。以此
二、塔设备的振动
两种
顺风向振动
横向振动 （风致诱导振动）
三、风致诱导振动机理
（1）诱导振动的流体力学原理（卡曼漩涡）
风速与风压的变化
风速： 迎风侧：B点风速为0，B到C风速不断增加； 背风侧：C到F风速不断减小
风压： 与风速正好相反，B点最高，B到C风压不 断降低；C点到F点，其压力不断升高
边界层的堆积
1、增大塔的固有频率
降低塔高，增大内径，可降低塔的高 径比，增大塔的固有频率或提高临界风速， 但这必须在工艺条件许可的情况下进行；
增加塔的厚度也可有效的提高固有频 率，但这样会增加塔的成本。
2、采用扰流装置
合理的布置塔体上的管道、平台 或者扶梯和其他的连接件可以消除或 破坏卡曼漩涡的形成。
在沿塔体周围焊接一些螺旋形版 可以消除漩涡的形成或改变漩涡脱落 的方式，进而达到消除过大振动的目 的。（例如在塔的上部，塔高的范围 内安装轴向翅片或螺旋型翅片的扰流 器，可影响卡曼旋涡的形成，以减缓 或防止塔的共振。）
当然还有最笨的办法就是用钢索固定，但这种方法总是受到场地的限 制，一般不会采用。
五、参考文献
➢ 元少昀.段瑞.塔器、烟囱等高耸结构风诱导共振的判定准则及振动分 析的相关问题[期刊论文]-石油化工设备技术2010,31(1)
➢ 高文彦 .化工装置中塔器的风诱导振动.英文刊名： PROCESS EQUIPMENT & PIPING年，卷(期)： 2001,38(5)