有肋間冷卻塔風振系數研究

孫曉勇，袁子厚，胡新榮

(1.中南電力設計院，湖北 武漢 430071；2.湖北省服裝信息化工程技術研究中心，湖北 武漢 430073；3.山區橋梁結構與材料教育部工程研究中心(重慶交通大學)，重慶 400074；4.湖北省數字化紡織裝備重點實驗室，湖北 武漢 430073)

0 前 言

風荷載是雙曲線型冷卻塔的主要荷載之一,1965 年英國渡橋電站冷卻塔群的倒塌事故, 引起了國內外有關專家的普遍重視，確切地給出風荷載對確保冷卻塔的安全性有著重大的意義。風振系數在結構風振分析中有著非常重要的作用，反映了隨機風荷載作用下結構的響應、振動幅度及分布規律等，也是將抗風分析與抗風設計聯系起來的直接元素。因此，確定結構風振系數對抗風設計有很大的意義。[1]本文針對一具體冷卻塔研究其風振系數。中泰化學托克遜100萬t電石新建工程冷卻塔塔高155 m，該塔為現澆鋼筋混凝土雙曲線型薄殼結構(如圖1)。

圖1 冷卻塔示意圖(單位：m)

由于任一高度Z處的總風荷載為平均風荷載和等效脈動風荷載的疊加，故風荷載公式可以改寫成：

ωz=ωzs+ωzd=(1+ηz)μsμzω0=βzμsμzω

式中，βz稱為風振系數，風振系數綜合考慮在風荷載作用下結構的靜力和動力效應。它是考慮脈動風作用下風致振動(風振)的風荷載對于結構時均荷載(或稱為風的靜荷載)的放大系數。具體結構的風振系數由結構本身的特性決定，確定風振系數需要通過實驗、實測或計算。

1 冷卻塔自振頻率計算

針對這個具體的冷卻塔，采用有限元軟件Abaqus計算其自振頻率、振型系數。

根據設計輸入條件，計算中的鋼筋混凝土雙曲線型薄殼結構、肋采用實體單元、柱子采用梁單元模擬。鋼筋混凝土雙曲線型薄殼結構與肋采用tie束縛約束，即鋼筋混凝土雙曲線型薄殼結構所有節點的運動與一定距離內的肋節點的運動一致。鋼筋混凝土雙曲線型薄殼結構與柱子采用tie束縛約束，冷卻塔的整體有限元模型見圖2。

圖2 冷卻塔有限元模型

材料參數：鋼筋混凝土雙曲線型薄殼結構、肋及柱子均按線彈性材料考慮，彈性模量取32.5 GPa，泊松比取0.17，密度為2 500 kg/m3，剪切模量取11.2 GPa。

邊界條件：本次計算分析直接對柱子底部施加固端約束，即約束柱子底面節點的所有自由度。

計算得冷卻塔的第一階主振型的自振頻率(Hz)為1.6Hz，冷卻塔的第一階主振型見表1。

表1 冷卻塔的第一階主振型

2 風振系數的確定

《建筑結構荷載規范》(GB50009-2012)[2]中規定當計算主要承重結構時，風荷載標準值應按下式計算：

wk=βzμsμzw0

式中，wk為風荷載標準值，kN/m2；βz指高度z 處的風振系數；μs為風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數；w0為基本風壓，kN/m2。

鑒于ω0是一定地區的基本風壓，為該地區B類地貌10m高度上風的動壓的統計平均值。

由《建筑結構荷載規范》(GB50009-2012)中第8.4.3條有：

式中，g為峰值因子，可取2.5；I10為10 m高度名義湍流強度，對應B類地面粗糙度可取0.14；R為脈動風荷載的共振分量因子；Bz為脈動風荷載的背景分量因子。

而脈動風荷載的共振分量因子R：

式中，f1為結構第一階主振型自振頻率，Hz，用abaqus計算得出f1=1.6；kw為地面粗糙度修正系數，對B類地面粗糙度取1.0；ζ1為結構阻尼比，對鋼筋混凝土結構可取0.05；ω0為基本風壓，kN/m2，50年一遇基本風壓為0.85 kN/m2。

脈動風荷載的背景分量因子：

式中，φ1(z)為結構第一階主振型振型系數；H為結構總高度；ρx為脈動風荷載水平方向相關系數；

k=0.910，a1=0.218(B類粗糙度)。

表2 冷卻塔風振系數

本文與我國近年來針對冷卻塔結構風振系數所取得的研究成果規律性(風振系數值隨高度的增加而減小)一致[3-4]。

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