英國BS、德國BTR及中國規范對核電冷卻塔載荷取值的探討

王成立，陳 朝，王金輝

（國核電力規劃設計研究院，北京 100094）

關于自然通風冷卻塔的設計，最著名的有英國BS規范及德國BTR規范，這些規范都已經過了多次修訂完善，對自然通風冷卻塔的設計有非常明確的設計準則及要求，其他國家關于自然通風冷卻塔的設計規范大多參考這兩個規范。為此，本文對英國BS 4485(1996)、德國VGBBTR(1997)規范及中國現行的設計規范對載荷取值要求進行比較分析，以對核電冷卻塔的設計給出參考。

1 英國BS 4485(1996)規范的載荷取值

英國BS 4485(1996)規范考慮的載荷有以下幾類：自重、風載、溫度載荷、建造載荷、基礎不同支撐引起的載荷及殼體局部附加部件載荷6類。

溫度載荷需考慮太陽照射及運行時的溫度變化，但沒有給出具體的溫差及溫差變化分布的形式，該規范指出了當溫度變化不劇烈或支撐剛度不是非常大時溫度對極限載荷無明顯的影響[1]。

該規范的建造載荷包括以下幾個方面：（1）混凝土運輸載荷；（2）腳手架和模板載荷；

（3）腳手架上的材料載荷；（4）臨時載荷；

（5）塔式起重機安裝載荷等。

該規范對基礎不同支撐引起的載荷及殼體局部附加部件的載荷也沒有具體要求，需根據不同的場地條件及設計要求單獨考慮。

風載荷是最關鍵的載荷之一，英國BS規范考慮了設計平均風速及設計陣風風速兩類，設計平均風速為：

其中，Sm,z=Sc( 1 +Sn)用于鄉村地區；Sm,z=Sc Tc( 1 +Sn)用于城市地區；Sc、Tc、Sn是由BS 6399定義的參數。

設計陣風風速為：

Sc、Tc、Sh含義與上相同，St,H、Tt,H是與塔總高H相關的參數，由此可得任意高度的風壓為：

其中，k= 0 .613，Vz可以是設計平均風速或設計陣風風速。

冷卻塔周向的壓力分布為：

其中，0a=-0.000 71、1a=0.246 11、2a=0.622 96、3a=0.488 33、4a=0.107 56、5a=-0.095 79、6a=-0.011 42、7a=0.045 51。

壓力分布沿環向的變化見圖1。

由圖1可知，該風壓分布曲線實際上是外壓減去內壓得到（BS附錄D的說明），因此英國規范實際上隱含了內壓沿高程是變化的，且沿高度方向的變化規律與外壓相同。

BS規范指出周邊場地結構對冷卻塔的壓力分布會產生很大影響。其影響通過將原計算得到的內力結果按冷卻塔沿塔高分為上、中、下三段，每段乘以一定的修正系數得到，其修正系數見表1。

為進一步考慮由于風的隨機擾動產生殼體的動態共振響應，BS規范還給出了估計殼體動態響應的應力估計經驗公式，即：

其中，V為風速；

n為殼體最小固有頻率；

K為經驗因子（見BS附錄E）。

由此可計算相應的放大因子以得到實際的設計內力。由于英國很少地震，因此英國規范中沒有關于地震載荷的具體要求。

2 德國VGB-BTR規范的載荷取值

德國VGB-BTR(1997)規范的載荷考慮以下幾類：自重、風載、溫度、安裝載荷、地基變形、地震及其他因素7類[2]。

溫度考慮正常工作時25 ℃的內外溫差及極端情況下45 ℃的內外溫差，還要考慮最大溫差為25℃時日照時半正弦波形的溫差，還考慮基礎部分變溫的影響。

圖1 風壓分布沿環向變化Fig.1 Circumferential wind pressure distribution

表1 BS規范修正系數Table 1 Correction factors in BS code

安裝載荷主要是腳手架、吊索及其他施工過程中的額外載荷，但沒有具體計算要求。

地基變形考慮由于基礎的不均勻性及地下礦開采等帶來的影響，但沒有具體計算要求。

地震情形要保證在地震時能正常運行，但沒有給出具體計算過程。

其他因素包括上升氣流、水池進水壓力、安裝承力結構等。

最主要的是風載荷，風載荷包括外壓aW及內壓iW，外壓定義為：

其中，z為超出地基的高度；

q為作用點相對的角度；

Cpa為外部壓力的因子；

qb為風壓隨高程分布；

f為動力放大因子；

F1為環境影響因子。

內部壓力可表示為：

其中，qb(zH)為zH高度處殼上端的風壓隨高程分布；

Cpi為內部壓力因子，取-0.5，且內部壓力假設沿冷卻塔外壁高度和周長恒定。

BTR規范根據不帶肋及帶肋時的粗糙參數（見表2）定義不同的外壓分布曲線，圖2為與表面粗糙度相關的外部壓力分布曲線；圖3為不同加肋及不加肋時的外壓曲線。

BTR規范的風壓隨高程的分布qb分3個不同的風區分別表示為圖4。

BTR規范的動力放大因子f的定義見圖5，圖中minf表示最小冷卻塔固有頻率。

環境影響系數F1的取值與冷卻塔周邊環境條件有關，如果在冷卻塔周圍還有其他的冷卻塔或是較高的發電廠，氣流的干擾就會導致這一單獨冷卻塔靜力學和動力學上風荷載的改變。這時對塔的壓力就應該增加，增加的程度取決于臨近建筑的種類，以及和臨近建筑之間的距離?？紤]環境因素時風載荷應乘以動力放大因子，如情況可能，環基的承壓能力也應有所增加。設計冷卻塔的支柱與環基時，也應考慮動力放大因子，但基礎的變形可不考慮動力放大因子。

環境放大因子由冷卻塔與周邊建筑物等的距離及臨近建筑物的種類決定，并給出了具體選取方法。

圖2 與表面粗糙度相關的外部壓力分布曲線Fig.2 External pressure distribution curve related to surface roughness

表2 不帶肋及帶肋時粗糙參數定義不同時的外壓力分布Table 2 External pressure distribution under different roughness parameters for ribbed and unribbed scenarios

圖3 不同加肋與不加肋時壓力分布曲線Fig.3 Pressure distribution curves for ribbed and unribbed scenarios

圖4 不同風區風壓隨高程分布Fig.4 Wind pressure distribution in different wind zones

圖5 動力放大因子Fig.5 Dynamic amplification factor

3 英國、德國及中國規范載荷取值差異分析

由英國、德國、中國三者規范載荷取值比較可知：

（1）自重三者取法相同。

（2）溫度三者均考慮，但英國BS規范沒有給出具體溫差分布，德國規范有詳細溫差分布，但整塔是均勻分布的，中國規范不僅給出詳細溫差分布，且塔內分布不均勻，中國與德國規范均給出相似的日照溫度分布。

（3）英國規范的風壓分布內壓是隱含的，且隱含內壓是沿高度分布規律與外壓相同，且不考慮加肋情形，中國規范有加肋及不加肋二種外壓分布[3]，而德國規范根據加肋高度及間距給出了多種外壓分布形式。英國規范考慮風的動力響應對冷卻塔高度分3個分區計算放大因子很有特色。

（4）英國規范不考慮地震影響，德國規范對地震的要求也非常簡略，中國規范對抗震要求嚴格得多，這是由于中國是地震多發區，而英國、德國不是。

（5）對于安裝載荷，英國、德國規范均有較多描述，但也不具體，需對不同塔分別考慮。英國、德國規范均提出需考慮基礎的不均勻變形，但對不同塔分別考慮。中國規范對其他載荷描述不多。

（6）除英國、德國、中國規范外，其他國家有自己的特殊要求。法國規范[4]的風壓沿環向分布曲線為：

其中，傅里葉系數見表3。

相應的變化曲線見圖6。

M.N.Viladkara等學者[5]中采用如下的風壓沿環向變化曲線：

其中，系數ia分別為0.000 71、0.246 11、0.622 96、0.488 33、0.107 56、-0.095 79、-0.011 42、0.045 51。

相應的變化曲線見圖7。

表3 法國規范風壓的傅里葉系數Table 3 Fourier coefficient describing wind pressure according to French code

圖6 法國規范風壓沿環向變化曲線Fig.6 Circumferential wind pressure curve according to French code

圖7 風壓系數隨角度變化曲線Fig.7 Wind pressure coefficient variation curve

Noorzaeia等學者[6]利用風洞試驗結果采用如下非對稱的壓力分布曲線：

其中，非對稱風壓系數見表4，相應的變化曲線見圖8。

還有許多利用風洞試驗得到的不同壓力分布曲線，不再一一敘述。

4 結束語

三種規范均對冷卻塔設計中考慮的荷載做出了相關的規定，且荷載的種類基本相同，但荷載的具體取值和計算方法上略有不同，各自針對本國的情況做出了各自的規定。英國BS規范風載荷是同時考慮外壓及內壓的，且隱含內壓沿著高程是變化的。變化規律與外壓相同，且僅考慮不加肋情形；德國規范對加肋及不加肋分多種情形（給出其詳細壓力分布，便于設計者使用）；中國規范有加肋及不加肋二種環向風壓分布。

表4 非對稱風壓系數Table 4 Unsymmetrical wind pressure coefficient

圖8 非對稱風壓沿環向變化曲線Fig.8 Unsymmetrical circumferential wind pressure variation curve

[1] BS4485-4, Code of practice for structural design and construction [M]. British Standards Institution, London, 1996:11-18.

[2] Manfred Bergmann, Dicter Busch, et al.VGBBTR, Structural design of cooling tower [M].VGB Power Tech e.V, 1997:16-38.

[3] 李志悌，華鐘南，金喜卿，等. 工業循環水冷卻設計規范 [M]. 北京：中國計劃出版社，2003：2-27.

[4] Ch.Baillis, J.F.Jullien, A.Limam. An enriched 2D modeling of cooling towers effects of real damage on the stability under self weight and on the strength under wind pressure [J], Engineering Structure, 2000, 22: 831-846.

[5] M.N. Viladkara, Karisiddappab, P.Bhargavaa,et al. Static soil-structure interaction response of hyperbolic cooling tower to symmetrical wind loads [J], Engineering Structure, 2006, 28:1236-1251.

[6] Noorzaeia, Ali Naghshineha, M.R.Abdul kadira，et al. Nonlinear interactive analysis of cooling tower-foundation-soil interaction under unsymmetrical wind load [J]. Thin-walled Structure, 2006, 44: 997-1005.