冷卻塔底部傾角對塔體結構的影響

李勤明

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院，山西 太原 030001)

冷卻塔底部傾角對塔體結構的影響

李勤明

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院，山西 太原 030001)

由于工藝的要求間接空冷塔通常體型較“胖”這就造成塔筒底部的傾角通常較小有時小于了規范要求的最小角度。較小的塔筒底部傾角對塔體的結構影響有多大？為此結合某工程2×600MW機組兩機一塔方案的塔型，對冷卻塔筒底部子午線的傾角在14°～18°之間的5種塔型進行分析比較。分析結果表明，對以風荷載為主要荷載的冷卻塔而言，塔筒底部傾角的減小無論從塔體的結構變形還是結構的內力來說都是不利的。因此從結構選型上來說“小傾角”冷卻塔是一種不好的塔型，在滿足工藝條件下應盡量采用較大的塔筒底部傾角方案。

間接空冷塔；“小傾角”冷卻塔；塔型選擇。

1　問題的提出

自然通風雙曲線冷卻塔是一個典型的鋼筋混凝土空間旋轉薄殼結構，為滿足底部進風的要求塔筒殼體支撐在人字柱或X柱上。按目前有關的設計規程規范的要求其塔筒底部子午線的傾角在16°～20°之間。由于間接空冷塔與自然通風的濕式冷卻塔相比在相同高度的條件下無論零米、喉部和出口直徑均大于濕冷塔，塔的體型較胖。這使得有時塔筒底部子午線的傾角不能滿足上述要求，其傾角往往要小于16°也就是所謂的“小傾角”冷卻塔。當采用“小傾角”冷卻塔方案時結構是否合理？需要進一步研究。為此需對塔筒底部不同子午線的傾角對塔體的結構影響進行研究分析，以便合理的確定間冷塔的塔型。

2　研究分析對象

針對某工程2×600MW機組采用兩機一塔方案確定的塔型，分別對塔筒底部子午線的傾角(以下簡稱傾角)為18°、16.8°、16°、15.2°和14°5種塔型進行了分析計算。這5種塔型的主要參數見表1。

表1　分析研究間冷塔的結構主要參數

在這5種塔型中對于18°傾角調整了塔體的喉部高度，對14°傾角不僅調整了喉部高度也調整了喉部直徑以適應雙曲線的要求。設計100年一遇風壓為：0.51 kPa。設計地震烈度為7度,50年超越概率10%動峰值加速度為0.12 g，特征周期0.45 s。

3　分析計算

計算分析采用SAP2000軟件，分析模型采用線彈性有限元模型，塔筒和環板采用中厚殼四邊形單元，X柱和柱墩采用梁單元，樁基采用集中彈簧按《建筑樁基技術規范》附錄C計算彈簧的剛度系數，總的計算自由度數為457500個。

由于冷卻塔的外荷載主要為風、自重、溫度和地震。對五種塔型分別計算了風、自重、特征值屈曲和地震作用下的內力變化情況。特征值屈曲分析時對結構自重不放大而只加大風荷載的外壓和內壓。

通過計算分析可知不同傾角的變化由結構自重和地震引起的位移和內力變化不大，但由風荷載引起的位移和內力變化是十分可觀的。以下就只對風荷載和特征值屈曲及結構的動力特性分析結果進行論述。

3.1風荷載計算結果分析

在風荷載外壓作用下塔體的位移幅值分布云圖見圖1。從圖中可看出塔體的最大位移不在塔頂而是在喉部附近。不同塔型零度子午線沿高程X向水平位移曲線比較見圖2。從圖中的曲線可看出隨著傾角減小，X柱頂和塔體的最大位移在加大。這說明了塔體的剛度是隨著傾角的減小在下降。為進一步說明塔筒零度X向水平最大位移加大引起的原因，將X柱頂位移、塔筒位移和兩者位移的差值隨傾角變化時的關系繪制成曲線見圖3。從圖3中可看出X柱頂X向的水平位移與傾角基本成線性關系也就是傾角越小位移越大。

圖1　位移幅值分布云圖

圖2　零度沿高程水平位移曲線

圖3　不同傾角X柱頂、塔筒最大位移和兩者位移差曲線

塔筒零度X向最大位移與傾角也接近為線性關系，都為隨著傾角的減小位移加大。但從圖中右側的塔體最大位移減去柱頂位移即塔筒自身的位移變化曲線來看，塔筒的位移隨傾角的減小位移變化不大。

這就說明了圖2中的塔筒最大位移隨傾角減小位移加大，主要是由X柱頂位移增大引起的。這是由于傾角減小后，X柱就更加直立從而降低了X柱抵抗水平變形的能力，也就是降低了X柱的水平剛度從而加大了柱頂的位移。

相對傾角18°時各方案X柱頂和塔筒最大位移增量百分比見表2。從該表可知，X支柱頂位移14°時最大增加了210.094%，塔筒最大位移增加了56.774%，傾角的變化對位移的影響是比較大的。

表2　相對塔筒底部子午線傾角18°時的位移百分比

對以風荷載為主要荷載的冷卻塔，X柱下柱由風引起的軸力和彎矩隨傾角變化曲線見圖4。從圖4中可知隨著傾角的減小無論軸力和彎矩均在加大。傾角從18°減小到14°時，相對18°傾角時在風荷載作用下X下柱的內力增加的百分比見表3。

圖4　風載作用下不同傾角X下柱軸力和彎矩變化曲線

表3　X下柱內力增加百分比(%)

從表3中可知，當傾角的由18°減小到14°時X柱的最大拉力增加了53.189%，而負彎矩值增加了351.614%。由此可見該傾角變化時風載荷對X柱的內力影響是十分顯著的。

傾角不同風荷載引起的塔筒在零度時的子午向內力沿高程的變化曲線見圖5。從圖中可知子午向軸力的影響范圍要大一些，但影響的幅度不大。而子午向彎矩的影響范圍不大但影響的幅度較大。同時也看到子午向彎矩在塔筒底部，隨著傾角減小在逐步的增大從18°的負值變換到了14°時的正值的最大。

傾角不同風荷載引起的塔筒在零度時的環向內力沿高程的變化曲線見圖6。從該曲線可知環軸力的影響范圍也比較大，并且環軸力在約40 m標高處從18°的正值最大逐漸減小到14°時的負值。環向彎矩的變化影響范圍不大，但影響的幅度值較環軸力要大很多。塔筒內力在零度由傾角變化引起的內力變化倍數見表4。

圖5　塔筒子午向軸力和彎矩變化曲線

圖6　塔筒環向軸力和彎矩變化曲線

表4　風載作用下塔筒軸力和彎矩增加倍數

從表5中可知除子午向軸力變化較小外，引起變化最大的環向軸力達到了34.69766倍。可見該傾角的變化對塔筒局部的內力影響是巨大的。因而從結構內力大小的角度來看“小傾角”塔是不利的。

3.2特征值屈曲分析

對塔體的整體穩定按線性彈性屈曲穩定計算得到的第一階屈曲因子見表5。從表中可知特征值屈曲因子相差不大，但也表現出隨著傾角的減小屈曲因子有降低的趨勢。

表5　塔筒底部子午線的傾角和第一階屈曲因子數據

圖7為不同傾角的第一階屈曲模態圖(從左至右分別為18°～14°傾角)，也可看出隨著傾角的減小屈曲范圍和程度都在加大。這也說明了“小傾角”塔對結構的穩定性也是不利的。

圖7　第一階屈曲模態圖

3.3結構的動力特性分析

對塔體的動力特性做了塔體的振動模態計算。考慮到冷卻塔結構的特殊性，即結構存在大量的重頻和高階振型對質量參與系數有較大貢獻的特點。為取得質量參與系數大于90%的要求，共計算了200階的模態。模態分析采用標準特征向量法，各方案的平動和扭轉質量參與系數均做到了大于97%。各方案的動力特性計算主要結果數據見表6。

表6　各方案塔體動力特性主要數據

從表5中可看出，無論是塔體的第一階模態還是第一個平動和扭轉模態的周期都隨著傾角的減小而有加大的趨勢。這也進一步說明了結構的剛度是隨著傾角的減小而降低的。

4　結論

通過對5種不同塔筒底部傾角方案的計算分析比較可得出如下結論：

(1) 風荷載在零度的位移計算結果數據顯示，當傾角從18°減小到14°時X柱頂和塔筒最大位移均在增大。X柱頂位移增大了210.094%，塔筒位移增大了56.774%。表明了塔體抗水平荷載的變形能力大幅度的下降，對結構的剛度影響十分顯著。

(2)風荷載作用下內力計算結果的數據表明，當傾角從18°減小到14°時內力的增加幅度十分顯著，X柱軸拉力增加了53.189%，負彎矩值增加了351.614%。

(3)線彈性屈曲分析結果表明隨著傾角的減小屈曲范圍和程度都在加大。這說明了“小傾角”塔對結構的穩定性是不利的。

(4) 結構的動力特性計算結果表明；結構的自振周期是隨著傾角減小而加大的，這也進一步表明了結構的剛度是隨著傾角減小在下降。

對以風荷載為主要荷載的冷卻塔而言，塔筒底部傾角的減小無論從塔體的結構變形還是結構的內力來說都是不利的。因此從結構選型上來說“小傾角”冷卻塔是一種不好的塔型，在滿足工藝條件下應盡量采用較大的塔筒底部傾角方案。

[1] GB/T 5012－2003工業循環水冷卻設計規范[S]．

[2] GB 50191－2012 構筑物抗震設計規范[S]．

[3] JGJ94－2008建筑樁基技術規范 [S]．

[4] [美]愛德華．L．威爾遜，結構靜力與動力分析[M]．中國建筑工業出版社，2006．

[5] 沈蔚蓮，孫小兵．大型雙曲冷卻塔風荷載作用效應有限元計算[J]．山西建筑，2007，(4)．

[6] 北京金土木軟件技術有限公司，SAP2000中文版使用指南(第二版)[Z]．北京：人民交通出版社，2012．

Effect of Impact of Bottom Angle of Cooling Tower on Tower Structure

LI Qin-ming
(Shanxi Electric Power Exploration & Design Institute of China Energy Engineering Group, Taiyuan 030001, China)

To meet the technical requirements, indirect dry cooling tower generally has relatively large tower body. This causes a relatively small angle at the bottom of cooling tower, which is occasionally smaller than the required minimum angle. How are the impacts of a small angle at the bottom of cooling tower on the structure of tower body? With a case study on the structure of indirect dry cooling tower with two 2×600MW units in a project, this article makes comparative analysis on 5 different tower models with a respective angle ranging from 14°～18° at the bottom of tower body. The analysis results show that, for the cooling tower with wind load as the main load, the decrease in angle at the bottom of tower body will pose negative impacts on structural distortion of tower body as well as the internal force of the tower structure. Thus, it is not a good choice to choose a cooling tower with a small angle. The size of tower model should be adjusted to make it in coordination with the technical requirements, and the angle at the bottom of tower body should be within stipulated scopes.

indirect dry cooling tower; small angle cooling tower; selection of tower model

TM621

B

1671-9913(2016)05-0047-05

2016-10-08

李勤明(1956- )，男，河南新鄭人，教授級高級工程師，主要從事火力發電廠水工結構設計。