超大型冷卻塔考慮地基—基礎—上部結構相互作用的地震反應分析

李輝

摘要：以火電廠冷卻塔為例，建立了剛性地基和考慮地基、基礎、上部結構相互作用的三維有限元模型。通過輸入不同的地震動，采用時程分析方法對冷卻塔進行地震反應分析，得到了冷卻塔在兩種情況下節點最大水平位移、絕對加速度隨X支柱、塔筒高度變化的規律；并對兩種情況下的地震響應結果進行了對比分析，結果表明，該類構筑物在地震作用下，相互作用的影響不容忽略。

Abstract： It's regarding the super large cooling tower of thermal power plant as the research example， and building two finite element models in rigid ground and subsoil-foundation-superstructure interaction situation. Seismic motion record is selected for inputs. Earthquake response analysis for cooling tower bay using time history analysis. The change law of two finite element models of cooling tower was obtained， that the maximal and horizontal displacement and absolute acceleration of nodes along the height of X pillar and tower drum. Comparative analysis has been made for the earthquake response of two models ， indicating that the influence of interaction does not allow to neglect for this kind of structures under the seismic effect.

關鍵詞：剛性地基；相互作用；時程分析；地震反應分析

Key words： rigid-foundation；interaction；time history analysis；seismic response analysis

中圖分類號：O346 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）28-0144-03

0 引言

冷卻塔是大多數火力發電廠的重要組成部分，因而是生命線工程的重要結點之一。隨著社會生產力的發展，火力發電廠的建設規模不斷增大，高度高、直徑大的冷卻塔[1～2]在地震時的安全性要求越來越高，對冷卻塔的抗震性能及地震反應開展研究有著必要和現實的意義。在傳統的抗震設計中，地震反應分析多采用剛性地基假定，計算模型僅考慮上部結構，地震動輸入采用自由場的地表地震動。當基礎剛度很大而上部結構剛度很小時，剛性地基假定是合理的，當上部結構剛度與基礎剛度比較接近時，剛性地基假定[3～4]對上部結構的反應將產生較大的誤差。超大型冷卻塔重量巨大，體量龐大，若建造在軟土或深厚土層地基之上，再沿用剛性地基假定進行抗震設計，而忽略相互作用的影響，就會和實際情況有較大的出入。為了實際地反映地震反應，文章結合某實際工程，對冷卻塔在剛性地基和考慮相互作用兩種情況下進行地震反應分析研究，并在計算分析的基礎上總結了冷卻塔的地震反應規律。

1 計算理論

2 地震動輸入及邊界條件

文章根據工程場地特性，選用EL-Cenero波和Taft波，根據本工程50年超越概率10%的地面地震動峰值加速度為0.181g，將地震波的峰值調至1.77561m/s2。對于剛性地基假定下的冷卻塔，在進行時程分析時，將基礎底端固定，直接輸入與地面自由場相應的水平地震加速度記錄。對考慮相互作用的冷卻塔，下部采用無質量地基模型[6～7]，將下部地基土四周及底端全部固定，輸入與地面自由場相應的水平地震加速度記錄。所選用地震波的加速度

時程曲線如圖1所示。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

文章以某火力發電廠的冷卻塔為研究背景，進行該工程的地震反應分析研究。冷卻塔進風口高度28.4m，其進風口標高水平塔內面積12000m2，塔高170.0m。喉部半徑41m，最小壁厚0.25m，最大壁厚1.70m，塔筒標高27.5-170.0m，冷卻塔X型支柱對數取41對，支柱矩形斷面尺寸取0.9m×1.50m，標高-0.6-27.5m，冷卻塔筒壁母線為兩段雙曲線與一直線段組成。

3.2 計算模型

文章采用有限元軟件ANSYS建立了冷卻塔在剛性地基和考慮相互作用情況下的三維有限元模型，冷卻塔樁土共同作用部分采用含群樁的樁土復合體模型[8～10]，其中純土體看作各向同性體，樁土復合體看作橫觀各向同性體。剛性地基有限元模型和相互作用有限元模型如圖2所示。

3.3 時程分析計算結果

采用ANSYS軟件對冷卻塔進行地震反應分析，表1、2分別給出了兩種模型下塔筒、X支柱X軸線節點水平最大位移，其中X、Y軸線位置如圖3所示。

3.3.1 剛性地基模型計算結果

表1給出了剛性地基模型塔筒、X支柱X軸線節點水平最大位移的計算結果。從表1中可以看出X軸線節點，無論是EL-Centro波作用，還是Taft波作用，最大水平位移的變化趨勢是X支柱的水平最大位移沿高度逐漸增大，塔筒的水平最大位移沿高度逐漸減小。由于冷卻塔塔筒整體性較好，質量、剛度比較大，而X支柱為斜支柱，質量、剛度相對于塔筒較小，因此，變形主要集中在斜支柱上，且位移沿高度遞增；從變形上來看，X支柱為斜支柱，使得塔筒在變形上有著與支柱位移相反方向整體傾倒的現象，這個現象實質上就說明了塔筒位移沿高度是遞減的。

冷卻塔為對稱結構，經計算，Y軸線節點的計算結果也符合上述規律，結果不再給出。

3.3.2 相互作用模型計算結果

表2給出了相互作用模型塔筒、X支柱X軸線節點水平最大位移的計算結果。從表2可以看出，X軸線節點，無論是EL-Centro波作用，還是Taft波作用，最大水平位移的變化趨勢是X支柱的水平最大位移沿高度逐漸增大，塔筒的水平最大位移沿高度逐漸增大。這是由于考慮相互作用后，基礎可以產生轉動，使得塔筒和支柱在變形上保持一致，兩者發生相同方向的整體傾倒現象，且水平最大位移都沿著高度逐漸增大。

3.3.3 兩種模型對比分析

表3給出了兩種模型X軸線節點最大位移的數據對比。

從表3可以看出，節點最大位移值在考慮相互作用之后都比剛性地基假定下的結果有所增大，產生這樣結果的原因主要是因為在考慮地基—基礎—上部結構相互作用后，上部結構的位移是由基礎的轉動和平移所產生的位移與結構本身的位移所組成。基礎的平移和一定的搖擺分量使得結構在考慮相互作用后，不同高度的節點的最大位移值都會有所放大。

圖4給出了地震波作用下兩種模型X軸線節點最大位移對比圖，從圖中看到在兩種波分別作用下，相互作用模型節點最大位移比剛性地基模型節點最大位移的增大幅度的變化趨勢，即位移增大幅度沿支柱高度降低，沿塔筒高度升高。

4 結論

文章以火力發電廠的冷卻塔為研究背景，基于ANSYS建立了剛性地基和考慮相互作用兩種情況下的三維有限元模型，分別進行不同地震動作用下的地震反應分析。對動力反應的結果進行了對比分析，探討了考慮相互作用后的影響。通過計算分析得出以下結論。

①冷卻塔在剛性地基情況下，節點最大水平位移的變化規律是：X支柱的位移沿高度逐漸增大，塔筒的位移沿高度逐漸減小。節點加速度放大系數的變化規律相同。②冷卻塔在考慮相互作用情況下，節點最大水平位移的變化規律是：X支柱的位移沿高度逐漸增大，塔筒的位移沿高度逐漸增大。節點加速度放大系數的變化規律相同。③冷卻塔在考慮相互作用后，節點最大位移值都比剛性地基情況下的對應結果有所增大。因此，在冷卻塔抗震設計中，地基、基礎、上部結構相互作用的影響是不容忽視的。

參考文獻：

[1]張治勇，劉殿魁，孫柏濤.火力發電廠抗震研究概況[J].世界地震工程，1999，15（1）：34-40.

[2]趙衍剛，江近仁.雙曲線冷卻塔的動力分析[J].地震工程與工程振動，1994，14（1）：61-71.

[3]沈聚敏，周錫元，等.抗震工程學[M].北京：中國建筑工業出版社，2000.

[4]陳惠發，段煉編，蔡中民，吳軍等譯（美）.橋梁工程抗震設計[M].北京：機械工業出版社，2008.

[5]曹曉研，李曉莉，李立新，楊楊.樁土—結構相互作用地震反應分析[J].世界地震工程，2004，20（1）：90-94.

[6]李丹，余敦志，等.基于土體相似模型試驗的淺基礎地基破壞機理研究[J].科學技術與工程，2017，09（17）：272-278.

[7]李靜，陳健云.動力相互作用分析中無質量地基的應用研究[J].世界地震工程，2007，23（2）：58-62.

[8]張俊發，黃瑜，聞建軍.群樁基礎的復合體模型建立與應用[J].巖土工程學報，2006，28（9）：1064-1069.

[9]邱敏.地基—群樁—高層建筑結構在地震作用下的動力相互作用分析[J].西安：西安理工大學，2007.

[10]Feng Z L，Lewis R W.Optimal estimation of in-situ ground stress from displacement measurements[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1987， 21（11）： 15-20.