烟囱其它拆除概述
高烟囱因自身柔度大，周期长，在风荷载作用下极容易发生横风共振，在定向其它烟囱拆除过程中，若横风共振和临界风速下顺风向响应的共同作用对烟囱起控制作用，那么考虑涡旋脱落的横风向风振计算是必要的;以南昌电厂210m高烟囱为例计算表明，烟囱共振频带在4～6级风的风振频率区域，定向其它倾倒偏转角和风向角(0°～30°)呈近似线性关系，随着风向角的增大，偏转角也随之增大，此外，考虑横风共振后倾倒偏转角显著增大，为保证高烟囱定向其它拆除的安全进行，建议在其它参数设计时考虑横风共振影响。
在国家“抓大放小，节能减排”的政策号召下，被其它拆除的特大型高耸构筑物(烟囱、水塔等)越来越多，其它难度也越来越大，为了保证其定向其它的安全实施，需要对各项其它参数做更为精确严谨的计算和控制。对于高烟囱这样的圆形截面的高耸细长悬臂型柔性结构，由于柔度大，周期长，其它过程中风荷载的影响更为显著，因此，研究风荷载对高烟囱其它拆除定向倾倒的影响是必要的。目前，对风荷载进行了一定的探讨研究，但多局限于烟囱顺风向的平均风荷载和脉动风荷载，而没有顾及横风向的风振响应，实际上高耸烟囱在风力作用下，除了像一般结构一样受有顺风向风荷载外，还受到由于漩涡周期性脱落而引起的横风向共振。若其它瞬间，横风共振和临界风速下顺风向响应的共同作用对烟囱起控制作用，那么仅仅计算顺风向响应不仅会引起其它倾倒角度偏差，甚至会造成建筑物严重后坐、下坐或向预定倾倒方向相反的方向倒塌，导致其它失败。因此，对于高耸构筑物的定向其它拆除，考虑涡旋脱落的横风向风振计算是必要的。
1、横向风振原理
当风以一定的速度吹向圆柱形物体，平行的气流在圆柱体背风面的两侧交替形成漩涡，漩涡的出现与消失引起柱体两侧压力的改变，迫使柱体发生垂直于风向的横向振动。对圆截面柱体结构，当发生漩涡脱落时，若脱落频率与结构自振频率相符，将出现共振，大量试验表明，涡旋脱落频率fs与风速v成正比，与截面的直径D成反比。
漩涡脱落状态取决于雷诺数(惯性力与粘性力之比)的大小，建筑物绕流场的雷诺数通常由公式Re=69000vD确定。式中:D为垂直于流速方向物体截面的直径;v为计算高度处风速(当倾斜度不大于0.02时，可近似取2/3结构高度处的风速和直径)。
横风向风振根据雷诺数的大小可以分为3个不同阶段:①当300＜Re＜3×105，即亚临界范围，涡旋形成有规则，并作周期性脱落;②当3×105≤Re≤3.5×106，即超临界范围，为不规则的随机振动;③当Re＞3.5×106，即跨临界范围，涡旋脱落规则，出现周期性的确定性振动。当漩涡脱落频率fs等于或接近物体的任一振型的固有频率时，便会引起物体的共振，所对应的临界风速为
。
式中:fs为漩涡脱落频率;D为圆柱体直径;St为斯托罗哈数(圆截面结构取0.2);Tj为烟囱第j振型周期。工程中更关心的是在跨临界范围的共振响应，对于亚临界和超临界范围，通常在构造上采取防振措施或控制结构的临界风速。
跨临界强风共振引起的在z高度处振型j的等效风荷载为
式中:λj为计算系数(可以查表);φzj为j高度处结构的第j阶振型系数;ζj为第j振型的阻尼比(对一般悬臂型结构，可只取第1～2个振型)。
2、偏转角分析
建立烟囱其它切口断面受力模型(图2)，ABC为余留支撑体，X轴正向为设计倾倒方向，风荷载的方向与X轴的正向的夹角为β(以0°～30°范围为例)，O.O2为余留支撑体的形心主轴，e为其偏心距，Z1、Z2为风荷载作用下的切口断面中性轴，θ为倾倒偏转角，切口弧长所对圆心角为α。
对切口断面进行受力分析，得到风荷载作用下的倾倒偏转角公式
式中:I1为余留截面对形心主轴O1O2的惯性矩;I2为余留截面对X轴的惯性矩;M为风载力矩;G为烟囱自重。
在此公式基础上，现在考虑最不利情况，其它瞬间，横风共振和临界风速下顺风向响应的共同作用对烟囱起控制作用，此时高耸筒形构筑物受到的顺风向效应和横向共振效应的共同引发的组合效应为
。Z高度处所受到的组合效应的等效风荷载按下式计算
设烟囱外径为R，内径为r，高度为H，则任意高度z处烟囱筒体的外半径Rz的值为
Rz=R－z(R－r)/H，风载的合力为
，此时，风载的力矩为
将M′代入式
(1)中，可以得到高烟囱在定向其它过程中由于横风共振和临界风速下顺风向响应的共同作用而引起的偏转角
θ′=arctan
，考虑横风向共振引起的偏转角之差为Δθ=θ′－θ。
3、工程算例
南昌电厂烟囱地面以上标高为210.00m，钢筋混凝土筒式结构。在±0.00m标高处，烟囱外半径9.24m，内半径8.62m，壁厚0.62m，为双层钢筋网，±0.0～+10.0m标高处竖向钢筋外层为22mm螺蚊钢间距150mm，内层为18mm螺蚊钢间距300mm，环向钢筋为外层为22mm螺蚊钢间距200mm，内层为14mm螺蚊钢间距200mm。在+210.00m标高处，烟囱外半径3.17m，内半径2.92m，壁厚0.25m;经计算烟囱重约为9398.69t，重心高度为72m。
(1)计算钢筋混凝土烟囱的自振周期和频率。由
。式中
:H为烟囱高度
;d为二分之一高度处外径。得到T1=3.373s，f1=1/T1=0.297Hz。
(2)计算临界风速。
vcr=5D/T1=5×2×5.19/3.373=15.39m/s，D为烟囱2/3高度处的外径D=10.37m，设计基本风速为
=28.28m/s，雷诺数Re=69000vcrD=69000×
15.39×
2×5.19=11022626＞
3.5×
106，由于vcr＜v0，所以可能发生跨临界范围的一阶横向共振，现在定量计算予以证明。
(3)计算不同风力等级条件下风速和风振频率(详见表1，表2)，计算表明，烟囱自振频率为0.297Hz，其共振频带在4～6级风的风振频率区域，从4级风开始，顶部容易发生明显晃动。具体来说，在160～210m的高度区间，共振频率带位于风力4级范围内;在110～160m的高度区间，共振频率带位于风力5级范围内;在60～110m的高度区间，共振频率带位于风力6级范围内。计算表明，对于高烟囱这样的圆形截面的高耸细长悬臂型柔性结构，由于柔度大，周期长，在风荷载作用下极其容易发生一阶横向共振。
(4)考虑最不利情况，当漩涡脱落引起横风向共振时，此时高耸筒形构筑物受到的顺风向效应和横向共振效应的共同引发的组合效应为S=
，Z高度处所受到的组合效应的等效风荷载ω'按下式计算
(5)总风荷载引起的弯矩M′为
(6)考虑横风共振可能产生的烟囱倾倒角度的误差
将各项工程数据代入计算，利用Matlab编制程序计算倾倒偏转角并对比误差，计算得到I1=60.5m4，G=9.21e7kN，I2=67.1m4，e=6.5m，得到横风共振对倾倒偏转角度的影响如图3所示，由图可见，定向其它倾倒偏转角θ和风向角β呈近似线性关系，随着风向角的增大，偏转角也随之增大，此外，考虑横风共振后倾倒偏转角显著增大。
