高耸化工塔振动控制研究进展

(青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061）

塔器是石油化工、化工和炼油等行业中的重要生产设备之一。高耸化工塔是一种高度和横向尺寸之比较大的设备。在实际工作中，高耸化工塔不仅承受自重作用，还会受到风载荷和地震载荷等动载荷的作用。灾害性台风可能导致塔结构主体开裂破坏，长时间持续的风致振动可能使结构某些部分，如节点、支座等产生疲劳与损伤，危及结构安全［1-2］。因此，防止高耸化工塔大幅振动，有效降低振动危害具有重要意义。若采用增加化工塔结构自身刚度的方法，如加大结构截面尺寸或提高材料强度等级等来耗散振动能量，既增加成本又存在较多问题。若在化工塔上安装一些控制装置，当塔结构发生振动时，通过被动或主动提供控制力来减少结构振动，既节约成本和人力，且安装方便，能够很好解决化工塔振动问题。文中对高耸化工塔的振动控制研究进展进行综述。

1 高耸化工塔振动特性研究状况

1.1 理论分析

化工塔承受的载荷包括风载荷、裹冰载荷、雪载荷及地震载荷等。其中风载荷对高耸化工塔的危害最大，因为高耸结构80%～90%的应力是由风载荷引起的［3］。

许多学者对高耸化工塔的风致振动响应进行了理论研究。汪睿［2］基于随机振动理论、谐波叠加法和风载荷的频域特性，利用MATLAB和ANSYS软件模拟获得了某一高耸塔在各风速下顺风向和横风向的风载荷时程样本及风振时程响应，认为该塔的振动主要是由漩涡脱落引起的横风向振动，而且空塔的风诱导共振响应比较剧烈，并对风速、风向变化条件下塔的风致疲劳寿命进行了评定。武秀根等［4］根据自回归模型（Auto-regressive，AR），基于随机模拟方法，计算了冷却塔表面不同高度的随机脉动风压，然后将随机脉动风压和平均风压作为冷却塔表面的外载，采用有限元分析软件计算了某冷却塔的风致振动响应，结果表明，基于随机脉动风载荷模拟的数值计算方法能正确反映冷却塔塔身的风振响应。汤俊雄等［5］基于AR法、随机振动理论以及脉动风速频域理论，采用MATLAB和ANSYS软件，模拟获得了高耸塔在参考风速下的脉动风速时程样本和塔器的顺风向风振时程响应。孙双双等［6］利用有限元法研究了脉动风作用下由伪弹性形状记忆舍金（Shape Memory Alloys，简称 SMA）拉索控制的高耸化工塔的动态响应特性，联合采用纽马克积分法和迭代法对整体结构的动力平衡方程进行了求解，并将结果与无拉索控制及由普通拉索控制的化工塔进行了比较，研究表明伪弹性SMA拉索对高耸化工塔有较好的振动抑制效果。陶祎等［7］针对某聚乙烯脱气塔架建立了模拟设备的整体模型，进行了风载荷的模拟和风振响应时程分析，尽管风载荷作用下结构位移最大值满足相关规范要求，但加速度最大值超出了人体舒适度要求，应考虑振动控制。元少昀等［8］提出，高耸化工塔需要进行振动分析时，应重点进行结构的强度校核、振幅控制和疲劳评定，并提出了分析的基本思路和方法。鉴于目前缺乏诱导振动的振幅控制值，文献［8］也提出了塔器共振时的允许振幅。

目前，对于振动响应以第一振型为主的高耸化工塔，先求出风振系数再求各类风振响应是一种简便的方法。朱佳宁等［9］采用虚拟激励法对超大冷却塔进行了随机风振响应分析，并计算了冷却塔的风振系数，发现低阶振型的模态响应对结构位移风振响应的作用最大，而且超大型冷却塔的位移风振系数在塔中间部分较小，在塔底部和顶部较大。张军锋等［10］以某大型冷却塔为例，通过刚体模型风洞试验获得冷却塔表面风压时程，利用直接积分和模态叠加2种方法进行结构动力时程响应计算，对不同响应的峰值因子和动力放大系数取值以及不同响应间的差异进行了分析，并根据冷却塔的结构特性和设计原则给出了实际设计中风振系数的取值。邹云峰等［11］建立了某核电站200 m高超大型冷却塔的1:400完全气动弹性模型，并用风洞中模拟的B类风场对其风致响应进行测试，结果表明，完全气动弹性模型能较为精确模拟冷却塔结构的质量、刚度和阻尼，而且迎风面的风致变形较大，风振系数数值随高度的增加而减小。柯世堂等［12］设计了冷却塔气动弹性模型，将该模型放在风洞中进行测试，研究了风向和风速对结构加速度和位移响应的影响，结果表明，结构风振系数的数值小于规定值，干扰效应使位移响应功率谱的能量增大，参与风振系数的测量点数目增加，气动弹性模型试验得到的平均位移结果比用刚性模型压力试验测得的结果要多。侯宪安等［13］以具有相似形状比但高度不同的 3种双曲线冷却塔为研究对象，利用考虑背景、共振及其交叉项的风振响应计算方法，研究了塔的风振系数取值和分布。Ke S T等［14］分析了结构本身因素和外界干扰对强风作用下冷却塔结构风致振动的影响，对不同动力特性及阻尼比的冷却塔模型进行了风振响应背景、共振、耦合项及风振系数的精细化数值计算，对比并初步探索了周边干扰下大型冷却塔的风振机理。徐渊函等［15］通过建立冷却塔的塔筒-支柱-环基-桩的一体化有限元模型，进行不同的表面风压分布对冷却塔风致响应和局部稳定性的影响研究，结果表明平均风压分布系数在塔顶部和底部存在三维流分布。

除考虑高耸化工塔的风激强迫振动外，研究人员还考虑了高耸化工塔的自激振动。Winney P E［16］和 Juhasova E 等［17］采用现场实测方法，获得冷却塔的自振特性。柯世堂等［18］基于改进的等效梁格设计方法，实现了同步测压和测振的冷却塔气弹模型风洞试验，分析了自激力效应对于大型冷却塔表面风压和风振响应的影响，结果表明，自激力对于大型冷却塔表面平均风压的分布特性影响较小，但对脉动风压的分布形式和数值影响较大。杜凌云等［19］以某特大型双曲混凝土冷却塔为研究对象，进行了测压风洞试验，获取了结构外表面气动力分布模式与脉动风时程，建立了整塔有限元仿真模型，分析了结构的自振特性，并进行了冷却塔整体结构的风振动力特性计算，得到了径向位移、子午向轴力、环向弯矩、Mises应力以及第一主应力等多种等效目标下风振系数的三维分布规律。

有些学者采用有限元法将塔结构离散化，在相应的单元节点上作用模拟的风载荷，通过在时间域内直接求解运动微分方程进而求得高耸化工塔的振动响应。孟庆娟等［20］利用ABAQUS有限元软件对焦炭塔进行风载荷的动态分析，模拟了在载荷加载过程与卸载之后结构的动态响应，表明风压作用下最大节点位移出现在塔体顶部，最大应力出现在裙座固支端附近的节点处，而且在外载作用下容易引起结构的共振，造成结构的破坏失效。沈国辉等［21］采用有限元法研究了大型双曲冷却塔自然频率和振型的分布，根据一系列参数化研究，拟合了估计基频和倾覆频率的方程，表明基频与混凝土材料的材料性能（E为弹性模量）、（ρ为密度）和塔壁厚度成正比，与塔的高度成反比，基频与支撑柱的总截面积和子午线退化参数呈二次曲线关系。考虑风载荷引起的结构变形对风压分布的影响，李刚等［22］结合计算流体动力学(CFD)与有限元分析的特点，建立了考虑结构变形影响的风压迭代修正模型，进行平均风压下大型冷却塔的抗风性能分析，结果表明，随着基本风速的增加，迭代分析方法与相关规范结果的差值逐步增大。Zhang Y X［23］利用有限元软件对塔架进行参数化建模，分别考虑将结构模型位移和塔表面的实际凹痕作为初始缺陷，并对钢筋吸收塔结构进行非线性屈曲分析，结果表明，屈服载荷对初始缺陷产生较小的影响，当结构屈服时，由于加强肋的增强作用，在塔筒的某些部分发生塑性变形，而且随着壁厚的增加，塔上临界稳定的内压载荷不断增加，临界稳定载荷增加较慢。Cheng X X等［24］利用压力模型试验获得风载荷，采用线性弹性有限元法和非线性弹性有限元法分析了冷却塔的风致静力特性。陈健等［25］对于悬挂式塔简支和固支这2种支承类型，选取有代表性的同一支承高度进行了模态求解，表明在条件允许的情况下应尽量采用简支悬挂方式，以获得更高的自振频率，减少共振发生概率。

基于CFD数值模拟方法，牛伟建［26］以高耸板式塔为研究对象，对风绕塔体产生的卡曼涡街流场进行数值模拟，通过流固耦合的方法对板式塔的动态风振响应进行了研究，结果表明，随着风速的增大，塔器受到的横向力幅值和变化频率增大，而且阻尼对横风向共振振幅的影响较大。叶辉等［27］对高耸冷却塔的风载荷进行了CFD数值模拟，获得了冷却塔外表面的三维流场特性和风压系数分布曲线，并用CFD动网格研究了风振条件下冷却塔内外壁的风压分布，结果表明，考虑风振特性后，冷却塔外壁风压呈现增大的趋势，考虑风振时流动分离点产生滞后，内部风压高压区发生在接近塔顶区域，而不考虑风振时内部风压高压区发生在接近塔底区域。董国朝等［28］采用CFD方法对某超大型双曲冷却塔内表面的平均风压进行了数值模拟，采用拉格朗日法和欧拉法分别模拟塔的水相和气相，实现了操作条件下冷却塔内流场与传热传质的耦合计算，并分析了侧风方向下冷却塔的内压分布规律，结果表明，侧风工况下得到的塔内压力系数沿高度方向相应变大，而沿纬向变化不明显。李蓉［29］以某乙烯精馏塔为例，对精馏塔进行数值模拟模态分析，并对精馏塔周围流域进行二维数值模拟和三维数值模拟，模拟结果表明，不同高度的漩涡脱落存在相位差，且用二维数值模拟来替代三维模拟是不精确的。武秀根等［30］探讨了采用线性滤波法中的AR模型模拟大型冷却塔风致振动响应的数值方法，将随机脉动风压和平均风压作为冷却塔表面的外载，采用有限元分析软件计算某冷却塔的风致振动响应，结果表明，基于随机脉动风载荷模拟的数值计算方法能正确反映冷却塔塔身的风振响应。

1.2 试验研究

赵林等［31］结合风洞试验提出了量化的冷却塔超高雷诺数条件下的脉动风压雷诺数效应模拟准则，建立了以迎风点脉动风压系数为变量的统一脉动风压八项式公式。Zhao L等［32］对单塔通风系统的内部风压分布进行了测量，并且采用气动弹性模型进行风洞试验，用激光位移传感器确定6个水平的风振位移，根据风压或振动响应的测量结果，基于概率相关技术，对单塔或组合塔的极限气动载荷进行了相应分析。邹云峰等［33］通过刚性模型风洞试验，对某拟建220 m高冷却塔内表面风载荷进行研究，计算得到的空塔和运行实塔内表面风压系数均值与试验数据基本一致。苏恩龙［34］采用风洞试验的方法研究了被动套环和肋条对高耸化工塔风致振动的控制效果，基于PIV测速技术，研究了套环控制前后化工塔周围风场空间结构变化规律，研究表明，被动套环和肋条控制方法可以大幅降低化工塔表面风载荷脉动值。Chen X等［35］通过对6组冷却塔进行边界层风洞试验，测量了两塔布置、三塔间距和十六风向的风致压力。

2 高耸化工塔振动控制主要方法

2.1 被动控制

被动控制是指在结构的适当部位附加耗能装置或子结构系统，或对结构自身的某些构件进行构造上的处理以改变结构体系的动力特性。被动控制是一种不需要外部能源输入的控制方式，控制装置结构简单且易于实现，经济与可靠性好，已被广泛用于化工塔振动控制。目前，国内外对高耸化工塔振动控制的研究主要集中在被动控制上，被动控制系统一般分为基础隔震、动力吸振、耗能减振3种减振控制方式。

2.1.1 基础隔震

基础隔震是在振源与受控对象之间串加一个子系统（即隔震器），以减小受控对象对振源激励的响应。基础隔震是一种应用广泛的减振技术，隔震系统的核心是隔震支座。很多国内外学者在设计高耸化工塔隔震支座结构时，通过修改受控对象的动力学特性参数使振动满足预定的需求。陈鑫等［36］利用SMA的超弹性特性设计了一种超弹性SMA隔震支座，并对该支座的力学特性进行了分析，结果表明，该支座的应力-应变曲线呈现饱满的非线性滞回曲线，可以用作工程中的隔震装置。吕梅［37］针对高耸化工塔在地震载荷作用下的振动响应问题，应用SMA橡胶复合支座对地震载荷作用下的高耸化工塔进行动态响应分析，探索方案的可行性及其减振效果，研究表明SMA橡胶复合支座对高耸化工塔有很好的隔震作用。刘永彬［38］对某一超大型冷却塔结构采用叠层橡胶隔震支座进行了基础隔震设计，初步确定了隔震支座特性参数及布置方案，并基于有限元分析软件SAP2000选择合适的数值模拟方法。根据有关规范规定的载荷效应组合对隔震与非隔震冷却塔进行对比分析，验证了隔震技术应用于超大型冷却塔结构的可行性，同时说明了隔震措施明显减小了冷却塔结构在不同载荷及其相应效应组合下的内力反应。林春阳［39］给出了对超大冷却塔结构采用橡胶支座基础隔震技术的设计分析方法，以8度抗震设防为例，证明了超大冷却塔结构采取基础隔震措施后，上部结构各关键节点之间的地震反应相对位移、加速度以及X型支柱位移均能有所降低，可大幅提升超大冷却塔结构的地震安全性。杨宇等［40］通过计算双向地震作用下滑移隔震储罐地震响应，表明在双向地震作用下，采用基础滑移隔震储罐比传统隔震储罐在基底剪切力、罐壁倾覆力矩减弱方面效果好。孙建刚等［41］对储液容器建立了自复位隔震体系，进行了3万m3储液罐地震动试验台模拟试验，试验结果表明，该隔震体系对短周期水平地震激励有显著的隔震效果。张亮［42］将橡胶支座隔震和滑移隔震复合使用，2种传统的隔震技术互相补充，充分发挥了各自优点，并有效克服了各自的某些缺点，取得了较好的隔震效果。李扬等［43］研究了2种高径比铅芯橡胶支座隔震储罐的地震动力响应特征，系统探讨了铅芯橡胶支座动力参数对隔震储罐地震反应的影响规律，研究表明，采用铅芯橡胶支座后减震效果良好，隔震储罐基底剪切力、支座位移和晃动波高都得到控制，不同高径比储罐都存在有效隔震频率范围，超出此范围设置隔震支座反而增大储罐地震作用。郝进锋［44］建立了柔性基底滑移隔震储罐的力学分析模型及地震响应的分析方法，并进行了模型储罐野外现场动力模拟试验，表明采用柔性基底滑移隔震储罐可以有效降低储罐动力响应，柔性罐底滑移隔震储罐的中上部加速度峰值下降了约60%。宫克勤［45］针对柔性罐底隔震储罐模型，进行了振动台地震动试验研究，表明隔震措施可使储罐的响应周期延长，并有效过滤掉地震动高频分量，橡胶隔震层对加速度向上部结构的传递具有抑制作用，减振效果明显。

2.1.2 动力吸振

动力吸振的基本原理是在振动物体上附加质量弹簧共振系统，共振时通过附加系统产生的反作用力可使振动物体的振幅减小。常见的动力吸振器有调谐质量阻尼器（简称TMD）、调谐液体阻尼器（简称TLD）、调谐液柱型阻尼器（简称TLCD）等。其中，TMD具有对振动的控制效果好、不需外力、便于安装和维修、占地面积小且成本低等优点，被广泛应用到高耸化工塔的振动控制中。

郎红专等［46］对非线性TMD装置控制石化塔风诱导振动进行模型设计并开展试验研究，结果表明，含钢丝绳隔振器的非线性TMD装置在主系统共振区附近减振性能优良，振幅减小了85%左右。文献［47］提到中海油惠州石化有限公司首次尝试在4.8 Mt/a催化裂化装置烟气脱硫洗涤塔主体结构外侧安装调质阻尼器，工业测试效果证明此举措有效降低了风振对主体结构的振动响应，其设计和投用前后的应用效果可为国内石化行业钢制高耸结构控制风振提供新思路和有益参考。胡朋等［48］针对高耸闪蒸塔在强风作用下振动响应过大的问题，将TMD减振技术应用到高耸闪蒸塔风振控制中，利用MATLAB软件对顺风向脉动风载荷进行数值模拟，得到了较好的随机风载荷样本，通过参数寻优，获得了TMD的最佳匹配参数，在最佳匹配参数下，闪蒸塔顶端振动能量下降47.07%。郝伟［49］通过试验研究了安装TMD之后高耸石化设备模拟装置固有频率、系统阻尼比以及顶端最大位移的变化趋势，论证了利用TMD对高耸石化设备进行风振响应控制的可行性。针对高塔设备风诱导振动的实际问题，朱晓升等［50］通过数值模拟的方法，对采用TMD减振系统解决脱硫塔的风诱导振动问题进行了研究，对TMD减振装置的质量比、频率比及阻尼比等重要参数进行了优化，在参数优化后的TMD系统控制下，塔顶的最大振幅有效减小，危险截面的应力大幅降低。

TLCD也是用来控制高耸化工塔振动的被动吸能装置。Rasmus Christensen 等［51］对高斯塔上安装TMD和调谐液体晃动阻尼器 （简称TLSD）进行了比较，结果表明两者的阻尼效率非常相似，而TLSD需要的维护工作量较少，易于生产，成本比TMD低。

2.1.3 耗能减振

耗能减振控制一般通过滞回装置和黏性装置实现。其中滞回装置包括金属屈服阻尼器和摩擦阻尼器等，黏性装置包括黏弹性阻尼器和黏性流体阻尼器等。作为被动控制的一种方式，耗能减振控制也应用于高耸化工塔减振领域。袁晟等［52］对设置黏性流体阻尼器的高耸结构风振反应控制进行了研究，对该结构的反应控制进行数值模拟分析，结果表明，采用黏滞流体阻尼器可以有效抑制高耸结构风振反应。

2.2 主动控制

尽管振动被动控制技术应用广泛，但其局限性也日益显现。如无阻尼动力吸振器能有效抑制频率不变或变化很小的简谐外扰激起的振动，但它不适用于频率变化较大的简谐外扰情况。另外，质量块的自重及振幅的限制也阻碍了动力吸振器的广泛应用。因此，国内外学者对更为有效的振动控制方法进行了深入研究探讨。振动主动控制技术因减振效果好、适应性强，也被应用于高耸化工塔振动控制领域。

振动主动控制包括开环控制和闭环控制，其中闭环控制应用较多。闭环控制的基本原理是当安装在受控装置上的传感器受到振动时，传感器的输出信号传至控制器，控制器是将控制信号变成控制作用的部件，直接或间接作用于受控对象，从而达到减振的目的。

近年来，国内学者利用SMA的形状记忆效应进行高耸化工塔的振动控制。实现结构振动主动控制主要通过两种方式，一种是利用SMA的形状记忆效应产生的回复力对结构进行驱动，另一种是利用SMA的弹性模量随温度变化而改变的特性，通过加热SMA来改变结构的振动频率［53］。孙双双等［54］设计了基于 Ni2MnGa的主动控制系统模型，并将其应用于高耸化工塔振动控制。在考虑SMA材料非线性及SMA与化工塔变形相互耦合的基础上，采用有限元法和纽马克积分法对安装有SMA拉索的化工塔风振响应特性进行了理论研究，通过与未装拉索和装入普通拉索的高耸化工塔相比较，认为伪弹性SMA拉索能有效地控制高耸化工塔风振。此外，同课题组研究发现，超弹性SMA电缆可有效降低自由振动幅度，有效缩短高层化学塔的衰减周期［55］。

2.3 半主动控制

半主动控制兼具主动控制控制效果优良和被动控制简单易行的优点，同时克服了主动控制需要最大能量供给和被动控制调谐范围窄的缺点。因此，半主动控制技术具有较高的研究和应用开发价值，在高耸化工塔的振动控制方面也得到了应用。半主动控制装置包括变阻尼控制系统、变刚度控制系统、磁流变阻尼器和半主动调谐质量阻尼器等。宋金峰等［56］根据高耸造粒结构具有旋转壳外形的特点，提出了一种环状半主动可控TMD系统，并以旋转壳理论编写了有限元程序，对TMD系统的振动参数进行了计算，结果表明可控TMD系统具有显著的减振效果。

2.4 其他控制方法

扰流器也能够有效防止高耸塔的风致振动。李晓琳［57］以机械振动理论和涡致振动理论为基础，设计了正弦声波扰流器和脉冲气流扰流器，并证明了2种扰流器喷射都能够有效防止塔器的风诱导振动，在采用多组扰流器时效果最佳。谭蔚等［58］基于塔式容器发生横风向振动的原理，设计了适用于防止塔式容器横风向振动的声波扰流器和喷射扰流器，利用ANSYS建立三维流固耦合数值模型，对比分析了2种扰流器在不同扰流速度和扰流频率情况下对塔体周围边界层的干扰效果，结果表明，速度取一阶临界风速、频率取剪切层不稳定流的脉动频率时，2种扰流器的扰流防振效果最好，在同样的扰流参数下，喷射扰流器的扰流防振效果比声波扰流器的好。刘友宏等［59］采用基于剪切应力传输两方程湍流模型的分离涡模拟方法对安装有轴向扰流器的独立高耸塔绕流问题进行数值模拟，得到了翅片宽径比和头数对轴向扰流器抗横向诱导振动的影响规律。LU Shanshan等［60］提出利用套环抑制化工塔风致振动的被动控制方法，预设吹气通道来引导绕流场的流动，从而破坏绕流场尾迹区的非定常漩涡脱落，达到流动控制的目的，当吹气通道越靠近模型顶部时，控制效果越好，但是当开孔管道越靠近跨中时，控制效果越差。

3 结语

目前虽然在高耸化工塔的振动特性、振动控制方法等方面取得了一些研究成果，但仍有许多问题需要进一步研究：①将利用SMA设计出的具有减振功能的智能结构应用于高耸塔的振动控制上时，缺乏试验基础。②化工塔的振动控制方式大多集中在阻尼器方面，但安装阻尼器后会增加化工塔的质量，应在化工塔振动控制方法方面进行深入研究。③建立考虑自激效应的超大型冷却塔风振机理数值计算方法，以及复杂环境中大型冷却塔表面动态风载自激测试风洞试验。④化工塔振动控制研究中考虑的因素比较单一，后续应重点考虑趋近于实际的工况参数，例如温度、应力、载荷以及形状对化工塔振动的综合影响。⑤在研究过程中一般只考虑横风向或者其他风向的振动，很少全面考虑各种风向的作用，后续应该展开各种风向综合作用的研究。⑥在实际工程应用中，应该对主动控制系统的安装方案进行优化，以保证经济性和安装便利性。