基于結構總體造價的大型冷卻塔最不利荷載加載角度

邱旭 等

摘要：以某150m大型雙曲自然通風冷卻塔為研究對象，以結構總體造價為指標，研究風荷載、夏溫荷載、地震荷載組合下的最不利加載角度， 結果表明，最不利荷載組合角度為來流風向角度為90°，陽光入射角度為135°、地震波的入射角度為22.5°，同時結構總造價與最小穩定系數并無直接聯系，不能以局部穩定最小值作為優化指標，同時考慮到加載角度組合工況數量的巨大，建議引入優化算法來降低計算效率。

關鍵詞：雙曲冷卻塔 結構總體造價 荷載加載角度

0 引言

冷卻塔作為一種工業設施在石油、化工、電力等領域得到廣泛應用，其作用是將攜帶工業廢熱的冷卻水在冷卻塔內與外界空氣進行熱交換，從而將廢熱傳遞給空氣，冷卻水循環使用，達到節約用水，保護環境的目的，圖1給出了電廠冷卻塔工作原理示意圖。近年來隨著電力工業的迅速發展，火力發電廠裝機容量不斷增大，用于冷卻水的大型自然通風冷卻塔的淋水面積愈來愈大，塔體高度也隨之愈來愈高，目前全世界最大的冷卻塔是德國Niederaussem電廠的200m雙曲自然通風冷卻塔，其塔筒底部直徑為143.5m，流水量為91000m3/h。在我國，隨著國家能源產業的調整，火力發電廠“上大壓小”政策的出臺，沿海、內陸核電的規劃建設，超大型冷卻塔不斷興建，隨之而來的結構安全性受到越來越多的重視，包括冷卻塔抗風性能、抗震性能、抵抗地基不均勻沉降的能力、結構穩定性等。

冷卻塔在運營期間主要承受結構自重、風荷載、溫度荷載（包括冬溫荷載、夏溫荷載）、地震荷載及地基不均勻沉降等；其中風荷載、夏溫荷載、地震荷載存在加載角度，當前《火力發電廠水工設計規范》（DL/T 5339-2006）并沒有給出最不利加載角度，因此本文以某150m大型冷卻塔為例，以冷卻塔結構總造價為指標，研究荷載組合模式下的最不利加載角度。

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圖1 電廠冷卻塔工作原理示意圖

1 冷卻塔結構尺寸及荷載取值

1.1 結構尺寸

本文中某大型冷卻塔高150m，喉部高度112.5 m，下環梁高度10.3 m，塔筒頂部直徑72.1 m，喉部直徑67.2 m，下環梁直徑111.2 m，塔筒采用44對直徑1.0 m的人字柱支撐，環基寬7.0 m，高1.8 m，環基中心直徑為120.2m，塔筒殼體采用分段等厚，喉部區域最小厚度0.200m，最大厚度1.000m，塔頂剛性環豎板厚度為0.200m，平臺板厚度為0.300m，塔筒與人字柱的混凝土強度等級為C40，環基的混凝土強度等級為C35。

1.2 荷載取值

本文主要考慮冷卻塔運營期間的五種荷載，即結構自重、風荷載、夏溫荷載、冬溫荷載、地震荷載；其中計算自重荷載時，重力加速度取9.81m/s2；計算風荷載時基本風壓為0.5kPa，風剖面冪指數為0.15（即地表粗糙度為B類），風振系數1.9（參照我國水工設計規范（DL/T 5339-2006），多塔干擾效應1.0（即僅考慮單塔），塔筒內表面風壓系數沿環向和高度方向均勻分布，取塔頂設計風壓的-0.5倍（德國冷卻塔設計規范（VGB-R 610U），塔筒外表面風壓取DL/T 5339-2006規定的無肋雙曲冷卻塔平均風壓分布，計算夏溫荷載時，最大筒壁溫差取15℃；計算冬溫荷載時，塔外溫度取-5℃，塔內溫差按DL/T 5339-2006中環梁無檔水設施單元系統確定，其中進風口上緣至淋水填料底為0～15℃、淋水填料底至淋水裝置頂為15℃、淋水裝置頂以上取10℃；地震荷載采用反應譜進行計算，反應譜計算模態階數為1000階（保證了水平地震和豎向地震的模態質量參與系數達到了95%以上）、地震烈度為7度、特征周期為0.45s、水平地震影響系數為0.25、豎向地震與水平地震的比值為0.65、模態的阻尼比為0.05。

2 最不利荷載加載角度

2.1 荷載加載角度

在冷卻塔所承受的上述五種荷載中，風荷載、夏溫荷載、地震荷載均存在荷載方向問題，即對應于來流風向、陽光入射角度及地震波方向，本文將0°～ 360°每隔22.5°進行劃分，即風向角、陽光入射角、地震波方向均存在16個不同方向，組合后共4096個加載工況逐一計算，累計計算時間超過1200小時。

2.2 基于結構總體造價的最不利加載角度

在進行冷卻塔結構設計時，設計人員往往關注兩類指標，即冷卻塔局部穩定系數及冷卻塔荷載效應極值；首先塔筒必須滿足局部穩定性系數大于5的規范要求，其次結構荷載效應極值滿足材料強度要求。由于結構內力最終決定結構配筋，對于冷卻塔結構而言，當塔筒線型、人字柱尺寸和環基尺寸確定后，混凝土用量就已確定，只是不同荷載組合下結構的鋼筋用量不同，因此本文選取單一指標結構的總體造價來選取最不利加載角度，一方面與結構內力息息相關，另一方面投資造價也是業主所關注的熱點。

3 結論

本文對某150m大型冷卻塔以結構總體造價為指標，探索荷載組合模式下的最不利加載角度，所得結論如下：

①在冷卻塔結構設計時需考慮風荷載、夏溫荷載、地震荷載組合下不同加載角度的問題。

②最不利荷載組合角度為來流風向角度為90°，陽光入射角度為135°、地震波的入射角度為22.5°。

③由于結構總造價與最小穩定系數并無直接聯系，因此在冷卻塔方案初步設計時應該以結構經濟指標而非最小穩定系數作為優化的指標。

④考慮到不同加載角度組合工況數量的巨大，本文建議后續可以利用優化算法以較小的計算代價找出最不利加載角度。

參考文獻：

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