风机荷载下平板网架的整体疲劳分析岑伟1，3，翁恩豪2，刘福祺3（1.浙江大学土木工程系，浙江杭州310027；2.湖州市建筑设计研宄院，浙江湖州313000；3.机械工业第三设计研宄院，重庆400039）得到杆件的疲劳损伤程度，找出结构的疲劳薄弱区域。研宄发现，平板网架的疲劳薄弱区域始终从放置风机的位置开始，随着风机荷载振幅的增大，疲劳薄弱区域逐步向四周扩散，疲劳损伤度呈指数增长。风机工作频率接近网架前几阶自振频率时，结构易出现疲劳；两风机竖向振动相位差在90°135°及水平同步振动时，结构易出现疲劳。：平板网架；疲劳；总寿命法；薄弱区域1概述疲劳失效是结构的主要破坏形式之一。在建筑结构工程领域，现行设计规范对结构由于动荷载的作用可能遭受的疲劳损伤考虑尚不全面-建筑结构中所采用的材料如结构用钢，也并非是均匀和连续的，实际上存在许多微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微小缺陷会逐渐发展、合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹得不到有效控制，极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。

　　早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果往往是灾难性的。

　　目前采用的疲劳设计方法主要有总寿命法「46和损伤容限法。总寿命法通过控制应力幅或应变幅来获得初始无裂纹的。首先进行自振特性分析，把结构自重和0. 75kN/m2的外荷载折算成质量块便可分析构件的应力-应变响应。对于复杂的加载历吏可用循环计数法处理离散事件然后1采用合适此11施加在结构上11把风机的自重也折算成质量块布置：t在相应的网架上弦节点上。中圆圈的位置各放置了1台风机。风机型号为D-1000，配套电机型号JK850，风机总重300kN，涡轮转速6002950r/ min选取钢材SAE-1015的疲劳参数1141，见表1.当网架上放置风机时，结构的各阶自振频率都有所下降，见表2.这是由于放置风机时，结构的刚度基本不变，但网架上弦的局部节点增加了质量块，质量分布发生了变化，使网架的自振频率随着质量的增加而降低。

　　钢材型号表2网架有、无风机的前10阶自振频率比较（Hz）频率（有风机）频率（无风机）对该平板网架的前十阶振型特征进行分析可知，网架的**、二阶以竖向振动为主，**阶振型中，两风机位置处沿Z向同侧振动，而第二阶振型中，两风机位置处沿z向反侧振动；第三、四阶振型以水平面内振动为主，分别沿水平面内两个相互垂直的方向振动；第五阶振型出现了水平面内的扭转。

　　当风机正常工作时，由于转动偏心距的存在，产生一个正弦的扰力扰力可按式（4）计算|151：式（5）中，mu为主要旋转部分质量（kg），C）为当量偏心距（mm），n（）为转速（r/min）由式（5）可知，扰力振幅P.大小与旋转部分质量、当量偏心距成正比，与转速的平方成正比。

　　在材料相同的情况下，疲劳损伤度的大小主要和应力幅值、平均应力等因素有关风机竖向振动时，网架中出现疲劳的区域将随着荷载振幅的增大而逐步扩大，反映了相位差为零的两个竖向简谐荷载下，随着简谐振幅的增大，疲劳区域逐渐扩展的情况图中用黑线标记的杆件即为出现疲劳的杆件，简谐振幅P0= 16.37kN从图中可以看出，当简谐振幅增大到1.3P0时，两风机位置中心的下弦杆就出现疲劳，疲劳区域从这两点开始向外扩散，当振幅达到1.5P0时，已发展为4个疲劳区域，振幅继续增大时，这四个区域逐渐连成一片，并向外扩展，而中心区域是相对安全的；当振幅达到1. 8P0时，上弦杆件也开始可能出现疲劳，在振幅不超过2. 0P.时，腹杆和纵向弦杆均未出现疲劳现象两个简谐荷载同步时，由于荷载、结构形式、约束都是对称的，疲劳区域也表现出对称发展的特征。

　　4影响因素分析风机沿竖向简谐振动时，简谐振幅及风机相位差的影响简谐振幅的变化与杆件疲劳损伤度*大值的关系如所示在不同的相位差时，曲线的走势非常相似，随着简谐振幅的不断增大，杆件的*大疲劳损伤度呈现出指数增长的规律然而在不同相位差时，*大疲劳损伤度的增长幅度各不相同，相位差为135*时增长*快，而相位差为270*时增长*缓（见），这主要是由于在不同相位差的简谐荷载作用下，结构的动力响应各不相同，杆件的应力变化幅值不同。

　　风机的工作频率的影响以上的分析都是基于风机在网架基频下振动的，当改变风机的工作频率时发现，随着工作频率的增大，杆件的*大疲劳损伤度下降很快，如所示当风机的工作频率超过网架的前三阶自振频率时，网架已不会出现疲劳显然，风机工作频率避开了网架的**、二阶自振频率时，结构的动力响应已经变得很小。

　　风机竖向振动时疲劳区域的扩展竖向振动时*大疲劳损伤度与简谐振幅的关系风机沿网架水平长方向振动时，经计算发现简谐振幅在3P.以上，结构才可能出现疲劳。从可以看出，在的相位差时A曲线的走势与图产完全相194' inaAcalemicloumalElectronic竖向振动时*大疲劳损伤度与相位差的关系似，随着简谐振幅的不断增大，杆件的*大疲劳损伤度呈指数增长。不同相位差时，杆件*大疲劳损伤度U1.呈现出不同的增长幅度，简谐荷载同步时增长*快，+而相位差为180*时增长*缓（见）。当简谐荷载同步时，对结构的作用同向叠加，杆件的内力变化很大；简谐荷载相位差为180*时，对结构的作用力正好相反，杆件的内力变化很小；而在其他相位差时，两个简谐荷载存在不同程度的抵消作用，杆件*大疲劳损伤度D值在两者之间变化，很明显地反映了这一规律。

　　水平振动时*大疲劳损伤度与相位差的关系水平振动时风机工作频率与杆件*大疲劳损伤度D的关系如所示。风机的工作频率在网架的前四阶自振频率内时，该网架结构会出现疲劳；而风机以网架的第二阶自振频率工作时，对该网架*不利；当风机的工作频率超过网架的前5阶自振频率时，网架不会出现疲劳。与风机的竖向振动不同的是，风机在第三、四阶网架自振频率范围内工作时，激起了结构较大的动力响应。

　　5结论网架结构在风机荷载下的疲劳问题主要与风机的振动方向、振幅、频率以及风机振动的相位差等因素有关。本文分析了风机荷载下平板网架的整体疲劳，可以得到如下几点结论：风机荷载是一种按正弦规律变化的荷载，风机竖向振动比水平振动时更易造成网架的疲劳。竖向振动时，网架的上下弦杆应力变化幅值较大，疲劳薄弱区域从风机位置的下弦杆开始，随着荷载振幅的增加，疲劳区域向周围扩展；水平振动时，由于网架的面内刚度很大，对杆件的影响较小。随着风机荷载振幅的增大，杆件疲劳损伤度呈指数增长。

　　风机振动频率靠近网架前几阶自振频率时对结构是危险的。风机竖向振动时，其工作频率靠近网架前两阶自振频率易造成结构的疲劳；水平振动时，工作频率靠近网架前四阶自振频率易造成结构疲劳。这与网架自身的振型特点有关，一、二阶振型以竖向振动为主，三、四阶则以水平振动为主。

　　两风机荷载存在不同相位差时，结构的动力响应差别很大。竖向振动时，相位差在90*135*范围内，杆件的疲劳损伤度*大，而相位差为270*时，杆件的疲劳损伤度*小；水平向振动时，两风机荷载同步时，杆件的疲劳损伤度*大，而相位差为180*时，杆件的疲劳损伤度*小。

　　对放置风机的平板网架进行设计时，应选用合适的风机，使风机的工作频率避开网架前几阶自振频率。对风机位置处的杆件应加强，防止该处疲劳的过早出现。应根据具体情况，选择风机放置的方式，确定风机振动的方向。（下转第49页）5结论对于环索水平的情况，桅杆之间的自平衡内力根据尺寸的不同存在一定的关系。

　　环索水平的情况下，结构上下不对称时，上下部分的桅杆长度必须满足同样的比例关系，这一点对于结构的找形以及建筑师、结构师的结构选型有重要意义。