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气象塔怎样作“健康”检查?
作者:申仲翰     时间:2010-11-3     点击率:27556

  一个人要能顺利地学习或工作,必须有一个健康的身体,像北京气象塔这样的结构也是如此。它能否正常运行的基本条件是有没有抵抗各种环境载荷压力的安全裕度。为此,人们要认真了解它的受损情况,经常对它作各种检测。这就好比我们人类经常进行体检一样,对各种工程结构也要作“健康”方面的监测和检测,对于有病的结构还要进行诊断。在这一方面,中国科学院力学所的科研人员做过大量的工作。下面我们以北京气象塔为例,说明他们是如何为这一类工程结构进行故障诊断及减振、隔振处理的。


图1 北京气象塔结构示意图

  图1画的是建于北京德胜门外的北京气象塔,该铁塔高325米,用于收集低空大气的组成成份。塔的基础支持在球铰上,构件连接采用桅杆形式,全塔沿高度分为五层,每层以三根纤绳(直径为5厘米的钢丝绳)按120°等间隔与地面相连,整个塔体用15根纤绳固定拉紧。这样的结构在建筑学上称为无矩设计。也就是说,这种塔与地面的连接方式不同于电线杆或大树,它没有埋在地下的“根”,或者说它的根只是一个放在凹槽里的球,塔身能直立在地上而不会倒下来完全靠的是纤绳的拉扯。但是,当北京气象塔刚刚建成的时候,出现了一种怪现象:在有流速为2~4米/秒的风吹过时,塔身就剧烈振动,声音很大,尤如惊涛拍岸,隆隆作响,扰得周围居民惊恐不安,因此它无法交付使用。对于塔的振动原因,人们众说纷纭:有人说是地震引起,有人说是路边火车的振动引发,也有人说是风吹塔动。但是刮大风时,塔并不振动,这又如何解释呢?
  针对这一问题,中国科学院力学所的科研人员进行了测试和分析,发现塔的振动是由于绳的运动引起的。原来,平稳的气流流过纤绳时会形成涡流并激发纤绳振动。当风速在2~4米/秒时产生了脱落频率为10~15赫兹的旋涡,这个旋涡脱落频率和纤绳固有振动频率相近,于是交替变化的涡流力就激发了纤绳的固有振动特性,从而发生共振,最终演变为强烈的振动和拍频振荡,并拉动塔身造成了全塔晃动。说到这里,读者们可能已经明白了,上述的测试分析工作就是对铁塔的“健康诊断”。找出了铁塔发病(振动)的原因,接着就是如何治病了,即通过“治疗”手段将振动消除。我们使用的办法是在纤绳上安装阻尼动力吸振器进行减振。当技术人员把阻尼器装在四层和五层的纤绳下端时,塔的振动大大下降,振动量只有原来的百分之五了。这样,病塔恢复了健康,气象塔可以正常、安全的工作了。
  上面的例子只是解决实际工程问题的一个小插曲,它说明振动分析,减振、隔振手段在工程实践中,可以发挥多么神奇的作用啊!