高位收水冷卻塔中央豎井三維有限元靜動力分析

何姜江，饒俊勇

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

隨著國內(nèi)火力發(fā)電百萬機(jī)組新建工程的陸續(xù)增多，超大型自然通風(fēng)冷卻塔逐漸受到火力發(fā)電相關(guān)專業(yè)人士的重視。與常規(guī)濕冷塔相比，由于高位收水冷卻塔取消了底部的集水池，以高位收水裝置及集水槽代替，降低了水泵揚程，減少了雨區(qū)和噪音，因而具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，有著廣闊的應(yīng)用前景，尤其是對電價高企和電源緊缺的地區(qū)，高位收水塔的優(yōu)勢更加明顯。

高位收水冷卻塔中央豎井區(qū)域是整個淋水架構(gòu)中形式最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。豎井底部與壓力溝相連，上部與配水槽(熱水槽)相連，下部被集水槽(冷水槽)環(huán)繞，頂部有控制配水系統(tǒng)的6個閘門，同時必要時通過4個溢流井將豎井內(nèi)的水引入豎井外圍的集水槽。高位收水冷卻塔中央豎井的混凝土工程量是常規(guī)冷卻塔的2～2.5倍(不計豎井周圍集水槽工程量)。

1 中央豎井的結(jié)構(gòu)形式及受力特點

1.1 結(jié)構(gòu)形式

中央豎井由梁、板、柱等構(gòu)件組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。中央豎井外圍為集水槽，沿集水槽縱向布置暗框架，暗框架頂梁上擱置單層配水槽，暗框架沿高度方向從上至下一定間距設(shè)置拉梁。暗框架與集水槽側(cè)壁形成一個整體，共同受力。中央豎井零米以下設(shè)井座，與壓力進(jìn)水溝相連。豎井井筒下部與壓力進(jìn)水溝相連，上部沿四個方向分別調(diào)單孔和雙孔配水槽，四周設(shè)環(huán)形配水槽，井筒外圍設(shè)4個溢流井。井筒頂部設(shè)檢修平臺。

以重慶地區(qū)某工程高位收水冷卻塔中央豎井為例，介紹高位收水冷卻塔中央豎井的結(jié)構(gòu)形式。該工程中央豎井主工結(jié)構(gòu)尺寸如下：壓力進(jìn)水溝斷面尺寸4200 mm×4200 mm，中心標(biāo)高－4.150 m，集水槽高14.00 m，井筒內(nèi)孔尺寸4200 mm×4200 mm，頂標(biāo)高24.00 m。高位收水冷卻塔中央豎井結(jié)構(gòu)三維視圖及結(jié)構(gòu)剖面圖見圖1和圖2。

1.2 受力特點

中央豎井外圍為集水槽主要承受內(nèi)水壓力，其次是單層配水傳來的集中荷載以及外部風(fēng)荷載。內(nèi)水壓力隨水深增加而增大，在內(nèi)水壓力作用下，集水槽壁板及框架作為整體，共同受力。井座部分主要承受內(nèi)水壓力、外部土水壓力以及井筒上部傳遞的荷載。由于井座部分外部土水壓力相對于內(nèi)水壓力偏小，且方向相反，計算時可不考慮外部土水壓力。井筒部分承受內(nèi)水壓力、外水壓力、設(shè)備自重、檢修荷載及風(fēng)荷載。

中央豎井結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，各部分構(gòu)件之間協(xié)同受力，采用常規(guī)簡化模型計算與實際差異較大，無法滿足設(shè)計要求。因此，為準(zhǔn)確真實地模擬中央豎井結(jié)構(gòu)整體受力的特性，滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的，中央豎井的結(jié)構(gòu)設(shè)計有必要采用三維有限元整體分析計算。

圖1 高位收水冷卻塔中央豎井結(jié)構(gòu)三維視圖

2 有限元模型

2.1 有限元模型

根據(jù)設(shè)計資料，中央豎井與集水槽、配水槽及壓力進(jìn)水溝之間設(shè)有伸縮縫，中央豎井以伸縮縫為界，進(jìn)行建模。集水槽、壓力進(jìn)水溝及中央豎井部分采用Shell181殼單元，地梁、拉梁及框架柱等采用bea m188梁單元，樁基采用剛度矩陣模擬樁基的等效剛度方法進(jìn)行分析。

有限元模型采用直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點位于中央豎井中心點，X軸與集水槽中心線平行，Y軸與壓力進(jìn)水溝中心線平行，Z軸與X和Y垂直，且Z＝X×Y，鉛直向上。

整體計算范圍共離散為18602個節(jié)點和18779個單元，三維有限元計算模型參見圖2。

圖2 中央豎井三維有限元模型

2.2 荷載及荷載組合

根據(jù)中央豎井在高位冷卻塔內(nèi)的布置及運行狀況，中央豎井主要承受的靜力荷載有結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備荷載、檢修荷載、內(nèi)水壓力和風(fēng)荷載。

2.2.1 靜力荷載

(1)結(jié)構(gòu)自重

中央豎井自身混凝土的重量，按25 kN/m3計。

(2)設(shè)備荷載

設(shè)備荷載主要包括由單層配水槽傳來的荷載包括配水槽自重及配水槽內(nèi)水重等集中荷載，以及淋水構(gòu)架配水層主、次梁作用在中央豎井上的集中荷載。

(3)檢修荷載

中央豎井頂部設(shè)檢修平臺，其上考慮檢修荷載，按10 kN/m2計。

(4)內(nèi)水壓力

中央豎井、集水槽和配水槽內(nèi)水壓力根據(jù)工藝專業(yè)提供的正常運行水位考慮,內(nèi)水壓力垂直作用于各側(cè)壁內(nèi)表面。

(5)風(fēng)荷載

某工程所在地的基本風(fēng)壓為：0.40 kPa，場地類別為：B類。

風(fēng)荷載作為面荷載作用于集水槽垂直于風(fēng)向的側(cè)壁外表面。風(fēng)荷載的計算按《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計規(guī)范》執(zhí)行。

2.2.2 地震荷載

根據(jù)某工程《廠區(qū)水工建構(gòu)筑物地段巖土工程勘測報告》，廠區(qū)冷卻塔地段50年超越概率10%的水平地震動峰值加速度為0.08 g，對應(yīng)的特征周期為Tg＝0.45s。

2.2.3 荷載組合

中央豎井荷載組合工況有基本組合和特殊組合兩類。基本組合為正常運行工況，特殊組合為地震工況。具體荷載組合及組合系數(shù)詳見表1。

內(nèi)力分析中，取正常運行工況和地震工況中最不利組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計

表1 計算方案及荷載組合

2.3 地震分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011－2010)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震作用效應(yīng)的基本組合應(yīng)按(1)式計算：

式中：γG＝ 1.2，γEh＝ 1.3,ψW＝ 0.0，γEh＝ 1.3，φw＝0.0不考慮豎向地震的作用。

式中 ：γRE＝ 0.85

地震作用下計算的內(nèi)力值均為正值，而地震波可能同時從兩個相反的方向傳來，因此，地震工況的計算結(jié)果分別取正負(fù)與靜力計算結(jié)構(gòu)組合。

組合一為：

組合二為：

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

中央豎井采用C40混凝土，鋼筋采用HRB400級，中央豎井各構(gòu)件的保護(hù)層厚度均取30 mm。長度單位為 m，軸力以壓為正，拉為負(fù)，單位kN，彎矩單位為kN˙ m。

3.1 地梁

地梁共6根，布置于暗框架底部，對稱分布，主要用于支承上部結(jié)構(gòu)，并將上部荷載傳遞至樁基頂部。地梁采用矩形斷面，高H＝2000 mm，寬B＝1400 mm，梁頂標(biāo)高±0.00 m。

有限元最大內(nèi)力計算結(jié)果見表2，根據(jù)以下內(nèi)力計算結(jié)果，通過配筋計算得：地梁(B×H＝1400 mm×2000 mm)配筋：上下層均為22E25，箍筋：d14@100。

表2 地梁最大內(nèi)力計算結(jié)果匯總

3.2 配水槽梁

配水槽梁共2根，布置于框架(KJ－1)頂部，沿壓力進(jìn)水溝中心線對稱分布，主要用于支承配水槽。配水槽梁采用矩形斷面，高H＝1865 mm，寬B＝700 mm，梁頂標(biāo)高15.865 m。

有限元最大內(nèi)力計算結(jié)果見表3，根據(jù)以下內(nèi)力計算結(jié)果，通過配筋計算得：地梁(B×H＝700×1865 mm)配筋：上下層均為14E25，箍筋：d12@100。

表3 配水槽梁最大內(nèi)力計算結(jié)果匯總

3.3 圓柱

圓柱布置于暗框架上(KJ－2)，主要用于支承溢流孔池壁的重力，直徑D＝600 mm，高7.25 m。

有限元最大內(nèi)力計算結(jié)果見表4，根據(jù)以下內(nèi)力計算結(jié)果，通過配筋計算得：D＝600 mm圓柱配筋：18E20，箍筋：d12@150。

表4 圓柱最大內(nèi)力計算結(jié)果匯總

3.4 框架柱

框架柱共12根，對稱布置，主要與集水槽壁聯(lián)合作用，承擔(dān)內(nèi)水壓力，并通過拉梁相連，提高整體穩(wěn)定性，改善受力狀況。框架柱采用矩形斷面，高H＝1200 mm，寬B＝1000 mm，高12.90 m(14.00 m)。

有限元最大內(nèi)力計算結(jié)果見表5，根據(jù)以下內(nèi)力計算結(jié)果，通過配筋計算得：框架柱(B×H＝1000 mm×1200 mm)配筋：內(nèi)外側(cè)均為15E25，箍筋：d12@100/200。

表5 框架柱最大內(nèi)力計算結(jié)果匯總

3.5 拉梁

每榀暗框架柱設(shè)3層拉梁，頂標(biāo)高依次為2.20 m、5.20 m和9.20 m，共18根，對稱布置。拉梁主要與暗框架聯(lián)合作用，承擔(dān)內(nèi)水壓力。通過拉梁相連，可提高框架及池壁整體穩(wěn)定性，改善受力狀況。

KJ－1上 為 拉 梁(LL-1)共3根， 高H＝400 mm，寬B＝1000 mm，單根長6.36 m；KJ－2上為拉梁(LL－2)共3根，高H＝400 mm，寬B＝600 mm，單根長12.40 m；KJ－3上為拉梁(LL－3)共3根，高H＝400 mm，寬B＝600 mm，單根長2.50 m。

有限元最大內(nèi)力計算結(jié)果見表6，根據(jù)以下內(nèi)力計算結(jié)果，通過配筋計算得：拉梁(B×H＝1000×400 mm)配筋：上下層均為15E25，箍 筋：d12@100/200；拉 梁 (B×H＝600 mm×400 mm)配筋：上下層均為10E25，箍筋：d12@100/200。

表6 拉梁最大內(nèi)力計算結(jié)果匯總

3.6 集水槽

集水槽標(biāo)高14.00 m～10.00 m之間側(cè)壁壁厚為300 mm，10.00 m～0.00 m之間側(cè)壁厚度為600 mm，±0.00 m標(biāo)高處底板厚為800 mm。

3.6.1 底板

集水槽底板厚度為800 mm厚，承受集水槽內(nèi)14 m深的水壓，根據(jù)有限元分析得到的最大內(nèi)力，進(jìn)行配筋計算，經(jīng)配筋計算得800 mm后底板配筋如下：

垂直向下層：E25@200，垂直向上層：E22@100。

水平向下層：E25@200，水平向上層：E22@100。見表7。

表7 集水槽底板最大內(nèi)力計算結(jié)果匯總

3.6.2 壁板(300 mm)

根據(jù)有限元分析得到的最大內(nèi)力，進(jìn)行配筋計算，經(jīng)配筋計算得，集水槽14.00 m～10.00 m層壁板(300 mm厚)配筋如下：

垂直向外側(cè)：E16@200，垂直向內(nèi)側(cè)：E16@200。

水平向外側(cè)：E14@100，水平向內(nèi)側(cè)：E16@100。見表8。

表8 集水槽壁板(300 mm)最大內(nèi)力計算結(jié)果匯總

3.6.3 壁板(600 mm)內(nèi)力分析

根據(jù)有限元分析得到的最大內(nèi)力，進(jìn)行配筋計算，經(jīng)配筋計算得，集水槽0.00 m～10.00 m層壁板(600 mm厚)配筋如下：

垂直向外側(cè)：E20@100，垂直向內(nèi)側(cè)：E22@100。

水平向外側(cè)：E20@100，水平向內(nèi)側(cè)：E22@100。見表9。

表9 集水槽壁板(600 mm)最大內(nèi)力計算結(jié)果匯總

3.7 豎井井筒

豎井井筒標(biāo)高0.00 m處壁厚為1000 mm，至7.25.00 m漸變至600 mm，7.25 m～14.42 m之間側(cè)壁厚度為600 mm，14.42 m～21.80 m之間側(cè)壁厚度為400 mm。

3.7.1 井筒壁板(1000 mm)結(jié)構(gòu)分析

井筒筒壁0.00 m標(biāo)高處厚度為1000 mm厚，7.25 m標(biāo)高處厚度為600 mm，承受井筒內(nèi)21.8 m深的水壓。根據(jù)有限元分析得到的最大內(nèi)力，進(jìn)行配筋計算，得井筒筒壁配筋如下：

垂直向(外層)：E25@100，垂直向(內(nèi)層)：E25@200。

水平向跨中(內(nèi)層)：E25@200，水平向支座(外層處)：E25@100。見表10。

表10 井筒壁板(1000 mm)最大內(nèi)力計算結(jié)果匯總

3.7.2 壁板(600 mm)內(nèi)力分析

井筒筒壁標(biāo)高7.25 m～14.42 m之間厚度為600 mm厚，承受井筒內(nèi)水壓。根據(jù)有限元分析得到的最大內(nèi)力，通過配筋計算，實際配筋如下：

垂直向(內(nèi)外側(cè))：E25@200。

水平向跨中：E22@200，水平向支座：E22@100。見表11。

表11 井筒壁板(600 mm)最大內(nèi)力計算結(jié)果匯總

3.7.3 壁板(400 mm)內(nèi)力分析

井筒筒壁標(biāo)高14.42 m～21.80 m之間厚度為400 mm厚，承受井筒內(nèi)水壓。根據(jù)有限元分析得到的最大內(nèi)力，通過配筋計算，實際配筋如下：

垂直向：E18@200；水平向：E20@200。見表12。

表12 井筒壁板(400 mm)最大內(nèi)力計算結(jié)果匯總表

3.8 壓力進(jìn)水溝

中央豎井壓力進(jìn)水溝為矩形斷面，凈空尺寸4200 mm×4200 mm，壁厚1500 mm。壓力進(jìn)水溝壁板厚度為1500 mm厚，承受配水槽內(nèi)21.80 m深的水壓，根據(jù)有限元分析得到的最大內(nèi)力，通過配筋計算，實際配筋如下：

垂直向(上下層)：E28@150;水平向(上下層)：E28@150。見表13。

表13 壓力進(jìn)水溝最大內(nèi)力計算結(jié)果匯總

4 結(jié)論

通過高位收水冷卻塔中央堅井結(jié)構(gòu)三維有限元靜動力分析，可得出如下結(jié)論：

(1)三維有限元靜動力分析能準(zhǔn)確的模擬中央豎井在各種工況下各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式和受力特點，計算出中央豎井各構(gòu)件的內(nèi)力(彎矩、軸力、剪力)，依此進(jìn)行中央豎井各構(gòu)件的配筋，做到安全經(jīng)濟(jì)。

(2)三維有限元計算能準(zhǔn)確模擬中央豎井的整體抗震性能。采用振型疊加反應(yīng)譜法對中央豎井進(jìn)行地震工況計算分析，根據(jù)地震工況計算結(jié)果驗算中央豎井各構(gòu)件的截面尺寸和結(jié)構(gòu)配筋。

(3)目前該工程已投產(chǎn)，目前冷卻塔中央豎井運行正常，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

[1]牛楠，王寶福，李晶晶.高位收水冷卻塔塔芯支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].電力勘測設(shè)計，2014，(S1).

[2]GB50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]GB50009－2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4]GB 50011－2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].