子午向加肋雙曲冷卻塔結(jié)構(gòu)特性初探

邱旭 張博 韓銘銘x

摘 要：以某189m大型冷卻塔為研究對象，探討了增加子午向肋條后雙曲冷卻塔的結(jié)構(gòu)動力特性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)內(nèi)力及總體造價指標(biāo)相比光滑冷卻塔的變化，研究表明加肋后雙曲冷卻塔結(jié)構(gòu)自振頻率降低、結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定提高、塔筒特征內(nèi)力下降，工程造價相比光滑塔有所降低，因此建議在未來的大型冷卻塔設(shè)計(jì)中可以考慮在塔筒表面增加子午向肋條。

關(guān)鍵詞：雙曲冷卻塔;子午向肋條;結(jié)構(gòu)動力特性;工程造價

1 冷卻塔結(jié)構(gòu)尺寸與荷載取值

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸

本文中某大型冷卻塔高189m，喉部高度142.3m，下環(huán)梁高度15.4m，塔筒頂部直徑85.4m，喉部直徑78.3 m，下環(huán)梁直徑130.8m，塔筒采用48對直徑1.3m的人字柱支撐，環(huán)基寬7.5m，高2.5m，環(huán)基中心直徑為143m，下環(huán)梁處的塔筒壁厚為1.35m，喉部處的壁厚為0.25m，塔頂處的壁厚為0.40m（原型結(jié)構(gòu)有限元模型見圖1）。當(dāng)該冷卻塔帶子午向加勁肋時，對于肋條的數(shù)量，寬度和厚度國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的規(guī)定，綜合考慮文獻(xiàn)[1]中子午向肋條的布置形式，本文中選取24道通長肋條，同時肋條厚度為1.25倍該高度處的壁厚，寬度為3.75倍該高度處的壁厚。

1.2 風(fēng)荷載取值

對于光滑塔和子午向加肋塔風(fēng)荷載的取值，中外規(guī)范略有差異，德國冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)范（VGB-R 610U）[2]根據(jù)肋條厚度與相鄰肋條間距的比值將平均風(fēng)壓曲線分為K1.0、K1.1、K1.2、K1.3，肋條厚度愈大，冷卻塔側(cè)風(fēng)區(qū)的最大吸力越小，當(dāng)冷卻塔表面不加肋時，根據(jù)表面有無粗糙度，又將平均風(fēng)壓分布曲線分為K1.5、K1.6（見圖2）;相比與德國規(guī)范，我國水工設(shè)計(jì)規(guī)范（DL/T 5339-2006）[3]的規(guī)定就較為簡單，只給出了無肋雙曲冷卻塔和加肋雙曲冷卻塔的平均風(fēng)壓取值，兩類風(fēng)壓分布的八項(xiàng)式曲線見圖3。

對于無肋雙曲冷卻塔分別為-0.4426、0.2451、0.6752、0.5356、0.0615、-0.1384、0.0014、0.0650;

對于加肋雙曲冷卻塔分別為-0.3923、0.2602、0.6024、0.5046、0.1064、-0.0948、-0.0186、0.0468。

通過圖3中兩類冷卻塔中部平均風(fēng)壓對比可以看出：增加了子午向加勁肋后，迎風(fēng)區(qū)正壓與側(cè)風(fēng)區(qū)負(fù)壓有所降低，尤其在側(cè)風(fēng)區(qū)，不僅最小負(fù)壓數(shù)值降低，而且最小負(fù)壓出現(xiàn)的角度相對光滑塔提前了10°，說明表面加子午向肋條使得冷卻塔表面繞流形式和渦脫形式發(fā)生了變化，渦脫分離點(diǎn)提前;對于背風(fēng)區(qū)的負(fù)壓，加勁肋對其影響很小。

在風(fēng)荷載的其他取值中，基本風(fēng)壓為0.35KPa，地面粗糙度取為B類地貌，即平均風(fēng)剖面指數(shù)為0.15，冷卻塔的風(fēng)振系數(shù)取為1.9，塔筒內(nèi)壓根據(jù)VGB規(guī)范取塔頂風(fēng)壓的-0.5，并沿塔筒環(huán)向和子午向均勻分布。

1.3 其他荷載取值

冷卻塔在運(yùn)營期內(nèi)除了受到風(fēng)荷載外，還受自重荷載、冬溫夏溫荷載及地震荷載，其中自重荷載中重力加速度取值為9.81m/s2;夏溫中處的筒壁溫差為15℃;冬溫荷載中選取環(huán)梁無檔水設(shè)施的單元系統(tǒng)，即進(jìn)風(fēng)口上緣溫度為0℃、淋水填料層溫度為15℃、淋水層以上溫度為10℃，塔筒外溫度為-10℃;地震荷載采用反應(yīng)譜進(jìn)行計(jì)算，反應(yīng)譜計(jì)算模態(tài)階數(shù)為1000階（保證了水平地震和豎向地震的模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)到了95%以上）、地震烈度為7度、特征周期為0.45s、水平地震影響系數(shù)為0.25、豎向地震與水平地震的比值為0.65、模態(tài)的阻尼比為0.05。

2 結(jié)構(gòu)特性分析

2.1 結(jié)構(gòu)動力特性分析

風(fēng)荷載下的冷卻塔風(fēng)振分析其實(shí)質(zhì)為結(jié)構(gòu)動力分析，動力分析的關(guān)鍵因素之一便是結(jié)構(gòu)的動力特性。子午向加勁肋對結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)非常有限，其剛度貢獻(xiàn)多被肋條的質(zhì)量所抵消，從而使得結(jié)構(gòu)自振頻率相比不增反減，當(dāng)然也可以預(yù)想，在風(fēng)荷載動力作用下，子午向加肋冷卻塔更容易產(chǎn)生共振效應(yīng)。

2.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

在火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范中（DL/T 5339-2006）需要對冷卻塔的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算，其中整體穩(wěn)定系數(shù)僅與冷卻塔所用混凝土材料、塔筒喉部半徑及塔頂設(shè)計(jì)風(fēng)速有關(guān)（公式見DL/T5339-2006第9.4.14條規(guī)定），與塔筒表面分壓分布無關(guān)。

在局部穩(wěn)定驗(yàn)算中（公式見DL/T5339-2006第9.4.14條規(guī)定），需考慮外表面風(fēng)壓分布，內(nèi)吸力效應(yīng)及風(fēng)振系數(shù)，加肋塔的局部穩(wěn)定系數(shù)相對于光滑塔有所增大，除冷卻塔頂部區(qū)域和底部區(qū)域外，塔筒中部區(qū)域局部穩(wěn)定系數(shù)最小值大于增大7%左右，這是由于冷卻塔加肋后側(cè)風(fēng)區(qū)的負(fù)壓減小所致，這也說明加肋后能提高冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載下的穩(wěn)定性。

2.3 結(jié)構(gòu)受力特性分析

對于冷卻塔塔筒，共有四個特征內(nèi)力響應(yīng)，即環(huán)向軸力、環(huán)向彎矩、子午向軸力、子午向彎矩。圖4給出了加肋前后冷卻塔四個特征響應(yīng)極值的變化情況，負(fù)值表示加肋后內(nèi)力響應(yīng)減小，正值表示加肋后內(nèi)力響應(yīng)增大，可以看出冷卻塔加肋后除了子午向軸力在塔頂部增大外，其余特征內(nèi)力均較光滑塔減小，子午向軸力減小最小，小于5%，其余特征內(nèi)力最大值減小幅度在10%～30%之間，這說明加肋后對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較為明顯。

3 結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)造價分析

在實(shí)際工程中，業(yè)主方關(guān)注的往往是冷卻塔的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)或者說是投資造價，本文根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)給出的了混凝土總用量、鋼筋總用量及總體預(yù)估造價，見表1，可以看出由于肋條的原因，混凝土用量有所提高，但由于表面風(fēng)荷載的減小，鋼筋用量下降，最終使得加肋后的整體總造價相比光滑塔下降了2.26%，可以幫助業(yè)主節(jié)省近百萬元。

表1 ?光滑塔與加肋塔總體預(yù)估造價

4 結(jié)論

本文對某大型冷卻塔進(jìn)行了加肋和不加肋下的結(jié)構(gòu)動力特性分析、穩(wěn)定性分析、塔筒內(nèi)力分析和經(jīng)濟(jì)造價評價，可以得出如下結(jié)論：

①子午向肋條對結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)很小，其剛度貢獻(xiàn)多被肋條的質(zhì)量所抵消，從而使得加肋塔結(jié)構(gòu)自振頻率相比光滑塔有所降低;

②子午向肋條有利于提高冷卻塔局部穩(wěn)定，降低塔筒特征內(nèi)力;

③加肋塔相比光滑塔雖然混凝土用量有所提高，但鋼筋用量下降，最終使得結(jié)構(gòu)總體造價降低。

因此本文建議在國內(nèi)未來的大型冷卻塔建設(shè)中可以考慮在表面增加子午向肋條的結(jié)構(gòu)措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]張軍峰，葛耀君，趙林.加勁環(huán)和加勁肋對冷卻塔結(jié)構(gòu)動力特性的影響[J].力學(xué)與實(shí)踐，2014，36（1）：42-47.

[2]VGB-R 610.Structural design of cooling towers，VGB Power Tech e.V.，Essen，2010.

[3]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5339-2006，火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2006.