本文是一篇土木工程论文，本文基于计算流体力学理论研究了峡谷地形下的塔式起重机的风致响应。利用 Gambit 软件建立峡谷地形三维模型，使用 Matlab 软件模拟了峡谷地形的脉动风速时程。将脉动风速导入 Fluent 软件中，计算得到塔式起重机表面的风速和风压数据。使用 Midas civil 软件建立塔式起重机的有限元模型，并对塔式起重机进行静力分析和风致响应分析。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景
塔式起重机是重要的现代工程建设施工机械，随着建筑施工的机械化，很多劳动力逐渐被机械所取代，建筑机械开始在施工中广泛运用起来。其中塔式起重机更是因为它卓越的性能一跃成为建筑施工中最常用的机械设备。风灾是一种常见的自然灾害，当台风来袭时很多的建筑物都会遭到破坏。许多国家特别是临海的地区，遭受风灾的侵害极为频繁。当强风来袭时，很多类似于塔式起重机这种拥有很多细长杆件的风敏感结构，更容易受风的影响从而发生事故。当塔式起重机受到较大的风荷载时，可能会直接导致塔式起重机脱轨、倾覆。且因为风的脉动性，塔式起重机在受到风荷载的作用时，杆件可能会因为振动产生疲劳破坏，降低了塔式起重机的使用寿命。例如：
2012 年 3 月 30 日，乌鲁木齐一个在建工程的塔式起重机，因为大风的作用发生倾覆，与附近的一幢居民楼发生碰撞，所幸当时并未施工，未造成人员上的伤亡。
2015 年 9 月 11 日，位于沙特阿拉伯的麦加大清真寺，突然遭遇大面积雷雨袭击，寺庙周围靠近天房环游半径内的施工塔式起重机被吹翻，事故结果最终造成至少 120 人死亡，超过 150 人受伤。
2017 年 3 月 1 日，江苏阜宁突然遭遇了强风侵袭，使得一家在建酒店顶部的塔式起重机突然发生倾覆，最终造成 2 人死亡多人受伤，如图 1-1 所示。
2018 年 9 月 16 日，香港由于台风“山竹”，一个在建楼盘的 20m 塔式起重机在狂风中突然倒塌，并砸向旁边的旧楼天台，所幸没有造成人员伤亡。
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1.2 塔式起重机的发展历程
塔式起重机是在二战后获得真正的发展，战后各国需要重建家园，大量的建筑工程急需大量塔式起重机。上世纪 60 年代到 90 年代，由于高层、超高层的建筑越来越多，塔式起重机的设计制造发生了明显的改变。塔式起重机逐步实现大型化，并且大量使用了内爬式和外附式塔式起重机。为了满足市场需求，塔式起重机朝着多元化的方向发展，而且广泛采用组装式结构。70 年代，我国塔式起重机产量增加，技术飞速提升，研制出了自升式塔式起重机、水平臂小车式塔式起重机和上回转塔式起重机等多种类型。80 年代，随着改革开放，经济迅速发展，塔式起重机年产量首次破千，技术进一步提升，种类越来越多甚至步入了国际市场。90 年代，面对桥梁和水利工程等迅速发展的社会形式，原有的塔式起重机已经不能满足需求，因此国家将塔式起重机的新技术开发提上了日程。在新的技术当中为了使得施工更加的方便，将塔式起重机的主要构件标准化，可以直接根据使用者所需的塔式起重机类型需求，运送到现场进行拼装。
近年来，我国的塔式起重机的发展趋势如下：
（1）动臂式塔式起重机，比较适用于大体积或者高度较高的单体建筑。具有起重量大，稳定性高的特点。
（2）平头式塔式起重机，与典型塔式起重机相似但是没有塔尖，适用于大中型建筑群。因为没有塔尖，所以它的结构形式简单，便于设计和安装。
（3）中小型塔式起重机，虽然我国的建筑发展很快，但是很多城市还是以10 层以下的建筑为主，这就加大了中小型塔式起重机的需求，这是一片巨大的市场，为了使得中小型塔式起重机更加的方便架设、转移和施工等，需要进一步开发相关的快架式塔式起重机。
（4）塔式起重机属于重要施工机械，在项目中需要编制专项施工方案，因此对于塔式起重机安全技术手段的开发需要提上日程，如智能化技术、全自动监测技术等。加强塔式起重机的安全性，因为一旦塔式起重机发生倾覆，极易造成人员伤亡。
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第 2 章 风场理论和特性
2.1 平均风的特性
对于平均风，在一定的时间间隔内，某一位置上风速的平均值几乎是不变的，靠近地面的风速会随着高度的增加逐渐增大，在实际的使用过程中，对于高耸的结构一般将其所受的动风荷载等效为静力风荷载，让结构的设计和分析更为简便[26]。
2.1.1 风速参数
（1）基本风速
我国的《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T3360-01—2018)中规定，根据气象台站在当地空旷平坦地面上 10m 高处观测到的 10min 平均风速资料，推算重现期 100 年的风速数学期望值作为基本风速[27,28]。
（2）地表粗糙度系数
近地面风会随着高度变化而变化，在地面附近由于遮挡物的存在风速会变小，远离地面时风速会增大。不同地区地面粗糙度不同对近地风影响也不同，α 为粗糙度指数，Z0为梯度风高度，我国规范定义地表粗糙度如下表 2-1 所示：
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2.2 脉动风的特性
通常由于风的不规律运动会出现脉动风，因此脉动风的强度具有极大的随机性。又因为脉动风周期短、频率高的原因会导致结构被破坏。
当气流流动时，会产生一系列的漩涡，这些漩涡的旋转方向和强度与脉动风一样。大尺度的漩涡频率低、周期长，小尺度的漩涡频率高、周期短。当大、小尺度的漩涡发生碰撞的时候，两者会互相干扰影响从而产生紊流等现象。反映脉动风特性的特征参数包括紊流强度、紊流积分尺度等[33-35]。
本章介绍了风的基本理论特点，说明了风荷载对结构的作用，还阐述了关于CFD 数值模拟研究的方法，总结如下：
（1）介绍了风的基本理论，根据周期的不同，将风分为平均风和脉动风分别进行讨论。介绍了平均风和脉动风的特性，讨论两者的异同。
（2）讨论了 CFD 数值模拟的求解过程，以及三种湍流模型的基本原理，对比分析了三种湍流模型的优点和缺点，最终选择 Realizable k ε模型进行数值模拟。
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第 3 章 塔式起重机模型的建立.......................15
3.1 塔式起重机系统的基本参数...................15
3.1.1 工程概况........................15
3.1.2 结构材料............................16
第 4 章 塔式起重机结构脉动风模拟及静力分析....................23
4.1 脉动风速时程模拟..............................23
4.1.1 线性滤波法........................23
4.1.2 谐波合成法..........................25
第 5 章 塔式起重机结构风致响应分析................................41
5.1 塔式起重机结构静风响应分析...................41
5.1.1 静风载荷的计算方法.....................41
5.1.2 空载工况........................42
第 5 章 塔式起重机结构风致响应分析
5.1 塔式起重机结构静风响应分析
5.1.1 静风载荷的计算方法
（1） 工作状态风荷载计算
为了降低风荷载造成危害的概率，需要建立预警机制，可以在施工现场安装测风仪，测得的风速数据通过云端发送到电脑上，当风速达到预警值时，对施工现场进行预警，停止塔式起重机的工作。另外可以通过增加塔式起重机的附着装置来提高塔式起重机的稳定性，通过研究，分别拥有三附着和四附着的塔式起重机在空载和 90°静风工况以及分别拥有三附着和四附着的塔式起重机在最大幅度满载和 90°脉动风工况的风致响应来确定最佳的防风措施。
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第 6 章 结论和展望
6.1 结论
本文基于计算流体力学理论研究了峡谷地形下的塔式起重机的风致响应。利用 Gambit 软件建立峡谷地形三维模型，使用 Matlab 软件模拟了峡谷地形的脉动风速时程。将脉动风速导入 Fluent 软件中，计算得到塔式起重机表面的风速和风压数据。使用 Midas civil 软件建立塔式起重机的有限元模型，并对塔式起重机进行静力分析和风致响应分析，得到了以下结论：
（1）通过地理数据空间云软件得到胭脂河大桥的地理信息，通过Globalmapper 和 Imageware 逆向工程软件得到峡谷三维地形，用于计算峡谷地形风。
（2）在 Matlab 软件中采用线性滤波法模拟峡谷的脉动风场，并根据现场的地形选择相对应的参数。在塔式起重机上设置 7 个监测点，模拟脉动风速时程，各监测点的脉动风速时程曲线显示模拟得到的功率谱曲线与目标的功率谱曲线趋势吻合，线性滤波法模拟的效果较好。
（3）将实测风速时程曲线与计算模拟的风速时程曲线进行对比，发现两者的趋势较为一致，模拟得到的平均风速和最大风速与实测得到的风速数据较为接近，其中平均风速差值最大为 0.54m/s，最大风速差值最大为 0.93m/s，因此可以证明 Gambit 建立的峡谷三维地形能够较为准确的反映当地的风场环境。
（4）应用 Midas civil 软件建立塔式起重机模型，对塔式起重机空载、最小幅度满载和最大幅度满载三种工况进行静力分析。结果表明，最大幅度满载工况位移值最大，位于起重臂端部第 529 号节点，位移值为 569.6mm。最小幅度满载工况应力值最大，位于起重臂第 1523 号单元，应力值为 168.5Mpa。三种工况的位移和应力在允许范围以内，所建模型的刚度满足要求。
参考文献（略
