（工程力学专业论文）开洞双曲线冷却塔的力学性能研究及设计方法探讨.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 开洞双曲线冷却塔的力学性能研究 及设计方法探讨 专业：工程力学 硕士生：张卫喜 指导教师：赵冬 墒覃 - 一 双曲线冷却塔( h y p e r b o l i cc o o l i n gt o w e r ) 是以承受风荷载为主的高耸空间的薄 壳结构，在电力等工业部门中发挥着重要作用，并在节水、节能，环境保护等方 面具有重大意义。对新建和既建双曲线冷却塔进行脱硫改造工程中结构开洞的技 术目前已应用于实际工程。 本文以国内外大量的现场实测、模型实验及理论分析资料为基础，利用a n s y s 开放式技术平台，建立了双曲线冷却塔的有限元计算分析模型，讨论了自重及风 荷载作用下冷却塔的力学性能。通过计算、分析，探讨了脱硫改造工程中结构开 洞冷却塔的整体及洞口局部强度、稳定性问题。基于工程的实际需要，分析了洞 口尺寸、开湔高度、洞口形状及洞口与主导风向夹角等因素对冷却塔整体及洞日 局部的应力分布规律的影响。同时，进行了冷却塔的动力特性分析及地震响应分 析，提出了双曲线冷却塔的结构开洞设计分析方法，为冷却塔脱硫改造中结构开 洞的设计、加固和施工提供了理论依据和实用的参考建议 本文借助a n s y s 软件的技术平台，以a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 编制了 多个专用的接口程序，使建模过程在既定参数的控制下实现自动化，具有一定的 普遍适用性，为同类问题的研究和工程设计计算提供了一定的便利。 关键词：双曲线冷却塔；有限元方法；结构开洞：结构强度；风荷载 论文类型：应用研究 西安建筑科技大学硕士学位论文 ar e s e a r c ho fm e c h a n i c a lb e h a v i o ra n d d e s i g nm e t h o d o f h y p e r b o l i cc o o l i n gt o w e rw i t ha l lo p e n i n g s p e e i a l t y ： e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s p o s 噜r a d u 她z h a n gw e i x i i n s t r u c t o r ：p r o f z h a od a b s t r a c t h y p e r b o l i cc o o l i n gt o w e ri sak i n do fh i g hs p a c et h i ns h e l ls t r u c t u r ew h i c hi s m a i n l ys u b j e c t e dt ow i n dl o a d i n g i tt a k e sai m p o r t a n tr o l ei ne l e c t r i c a le n g i n e e r i n gf i e l d e t ，a n dh a sas i g n i f i c a n tm e a n i n gi nt h ef i e l do f t h ew a t e rs a v i n g 、e n e r g y0 0 1 1 s e r v a t i o n 、 p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n ta g a n s tp o l l u t i o n s p e c i a l l y , r e i n f c r e e dc o n c r e t eh y p e r b o l i c c o o l i n gt o w e ri sm o s tw i d e l yu s e d t h et e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e do v e r s e a s w h i c hm a k e sa no p e n i n gi nt h eb o d yo ft h ec o n s t r u c t i n gn rc o n s t r u c t e dc o o l i n gt o w e r f o rd e s u l f u r a t i o n t h er e s e a r c ho ft h i sa r t i c l ej u s tb a s e so i lt h e s t u d yo ft h em a n y f u l l s c a l e m e a s u r e m e n t s 、m o d e lt e s t sa n d 协e 。r ya n a l y s i sf o m ai n l a n do ro v e r s e a s am o d e la b o u t f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n da n a l y s i so ft h eh y p e r b o l i cc o o l i n gt o w e rh a sb e e ns e tu pi n t h i sa r t i c l eb yt h eg e n e r a lg r o u n ds o t w a r e - - - a n s y s w h i c hi su s e dt od i s c u s st h e m e c h a n i c a lb e h a v i o r so ft h ec o o l i n gt o w e ru n d e rt h ew i l l dl o a d i n ga n dt h eg r a v i t y t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i s t h ea n c l eh a sd i s c u s s e dt h ep r e b l e mo fs n u c t u r e s t r e n g t ha n ds t r u c h l r es t a b i l i t yw h i c ht h eo p e n i n gt h r o w so nt h eb o d yo fc o o l i n gt o w e r a n dt h es i d e so ft h eh o l ei nt h ed e s u l f u r a t i o na l t e r a t i o np r o j e c t b a s e do nt h en e e do f p r a c t i c ep r o j e c t ，t h ea r t i c l eh a sa n a l y z e dt h er u l eo f s t r e s sd i s t r i b u t i n go nt h ew h o l eb o a y o ft h et o w e ra n dt h es u r r o u n d i n gp a r to ft h eo p e n i n gw h i c hc a u s e db yt h es i z e 、t h e h e i # t 、t h ef i g u r eo f t h eo p e n i n ga n dt h ea n g l eb e t w e e nt h el o c a d o m i n a n tw i n da n dn m o p e n i n ge t a tt h e s a l l l et i m e ，t h ea r t i c l eh a sc a r r i e dt h r o u 曲t h ea n a l y s i so ft h e 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 d y n a m i c a lb e h a v i o r sa n dt h es e i s m i cr e s p o n s eo ft h ec o o l i n gt o w e ra n de o n c l u d e da a n a l y s i sw a yf o rt h es t r u c t u r eo p e n i n gd e s i g no ft h et o w e r t h ea r t i c l et r i e dt ob r i n gt h e a v a i l a b l et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dp r a c t i c a ls u g g e s t i o nt ot h ed e s i g n 、r e i n f o r c i n ga n d c o n s t r u c t i n go f t h eo p e n i n gm a k i n gi nt h ec o o l i n gt o w e rd e s u l f u r a t i o na l t e r a t i o n i no r d e rt oa u t o m a t et h em o d e lm a k i n gp r o c e s su n d e rt h ec o n t r o lo ft h e s e t t l e d p a r a m e t e r s ，t h ea r t i c l eh a sc o m p o s e dac e r t a i n a n a l y s i sp r o g r a m sb yt h ea n s y s p a r a m e t r i cd e s i g nl a i l g u a g e ( a p d l ) 0 1t h eg r o u n do ft h ea n s y ss o f t w a r e t h e s e p r o g r a m sc a nb eg e n e r a l l ya p p l i e d ，t h e r e f o r e ，t h e y c a nb e n e f i tf o rt h er e s e a r c ha n d d e s i g no f t h eq u e s t i o n sa l i k e k e yw o r d s ：h y p e r b o l i cc o o l i n gt o w e r s t r u c t u r ew i t ha l lo p e n i n g t h e s i st y p c ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h f m i t ee l e m e n tm e t h o d ： s t r u c t u r es t r e n g t h ；w i n dl o a d 声明 y8 二1 5 8 9 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：乡卫喜日期：夕矽歹，乡矿 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：拟导师签名：墨圭冬日期：。f 。；。彦 注：请将此页驸在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 1 课题研究的目的和意义 i 绪论 冷却塔是以承受风荷载为主的高耸空间的薄壳结构，在电力、石油、化工、 冶金等工业部门中发挥着重要作用，并在节水、节能、环境保护等方面有着重大 意义。自1 9 1 0 年荷兰学者依特尔松提出钢筋混凝土壳体用于建造双曲线冷却塔 以来，至今，冷却塔的建造高度已逾2 0 0 m ，淋水面积超过1 0 0 0 0 m2 。 近一个世纪里，人们对双曲线冷却塔进行了大量的理论计算、现场实测和模 型实验工作，取得了长足的进步。特别是1 9 6 5 年，英国f e r r y b r i d g e 电站三座大 型冷却塔( 高1 1 4 m ，底部直径9 1 5 m ) 倒塌严重事故之后，世界工程界对冷却塔 研究的愈加重视，进行了大量的实验和理论研究，为冷却塔的工程实践奠定了理 论基础。 8 0 年代以来，随着人们对冷却塔结构研究的进一步深入、冷却塔工艺设备的 改进和人们环保意识的日益增强，人们开始探索在冷却塔塔筒结构上开洞以进行 脱硫，降低冷却塔对环境的污染。这新的技术很快得到了迅速的发展，使得对 新建和已建冷却塔进行脱硫改造成为冷却塔工程的一大趋势，同时，鉴于冷却塔 在人们生活中的重要作用，对其脱硫改造中，塔筒结构开洞对冷却塔结构整体及 局部的影响研究成为当务之急。国外，已有一批实验和理论研究成果应用于实践， 积累了初步的宝贵的经验，而国内，则刚刚起步，尚处于初步的可行性阶段，鲜 有实用的成果用于实际工程。 本文的研究正是基于国内在既建冷却塔的脱硫改造中结构开洞技术研究的空 白这一契机。在研读了国内外大量珍贵的实测及模型实验及理论分析资料的基础 上，吸纳其分析方法及实测数据，利用有限元方法，借助国际上通用的大型有限 元软件a n s y s 开放式技术平台，以北京某电厂双曲线冷却塔的实际结构改造工程 为例，通过大量的计算、分析，探索了脱硫改造工程中结构开洞对冷却塔整体及 洞口局部的强度和稳定性影响。基于工程的实际需要，总结了诸如圆形洞口大小、 开洞高度、洞口形状及洞臼与当地主导风向夹角等因素对塔筒整体及洞口局部的 影响。同时，进行了冷却塔动力特性分析及地震响应分析。 论文的研究以实际工程为依托，以期探索冷却塔开洞问题诸多因素对结构整 体、洞口边缘强度、稳定性问题的普遍影响规律，及地震响应分析，为冷却塔脱 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 硫改造中结构开洞的校核、加固、设计及施工提供一定的理论依据和实用的参考 建议。同时，论文基于a n s y s 技术平台以其参数化设计语言( a p d l ) 及专用双曲 线冷却塔建模接口分析程序具有一定的普遍适用性，可为同类冷却塔开洞研究提 供较大的便利。 1 2 冷却塔的结构与应用 1 2 1 冷却塔的发展概况 冷却塔是广泛应用于石油化工、电力等工业部门循环水冷却的主要设各。 7 0 年代以来，随着工业技术的进步，许多科研、设训、生产等单位对冷却塔 的塔型、填料、配水、降水器以及风筒等作了大量研究，取得了不少先进成果， 有力的推动了冷却塔技术的发展。 冷却塔已由原始的丌放式冷却塔，发展到带有风筒的冷却塔。风筒的形状也 由圆柱形、多边锥形发展到目前普遍采用的双曲线型。随着机械力学及流体力学 的发展装有鼓风机或抽风机以增大流动风速的机械通风冷却塔在一些工业部门 也得到了广泛的应用。有的国家设计了通风筒和机械通风联合使用的混合式冷却 塔，办称辅助通风式冷却塔。为提高水的流通能力降低建筑的外形要求，更好 的利用电能并提高冷却效率，错流塔应运而生。 塔体的材质也由以往的木材结构、钢架木护板结构发展为现在的钢筋混凝土 薄壳结构，中小型机械通风冷却塔塔体的材质则向更轻质的玻璃钢材料发展。 随着大容量、高参数发电机组的出现，水资源匮乏和环保意识的增强，冷却 塔所占的比例有所提高，并朝大型化方向发展。国内，封项于1 9 9 8 年底的是泾电 厂八期工程，装机容量为6 0 0 1 “1 1 i 淋水面积达到9 0 0 0 m2 ，塔顶标高1 5 0 6 0 i m 。 由于逆流式冷却塔在同横流式冷却塔相比，具有传热效率高、占地面积小、 操作费用低、所需费用较低、所需循环水泵的扬程相对较低、没有藻类生长、噪 音小、冬季运行期间结冰程度小、现场施工容易、塔芯材料也较少、安装方便等 特点，我国同世界上许多发达国家一样，工业中主要采用逆流式冷却塔。 综合逆流式冷却塔和横流式冷却塔的特点，目前还产生了斜流式冷却塔和喷 射式冷却塔，并有较好的发展前景。 正因为冷却塔在电力、石油、化工、冶金等工业部门中发挥着重要作用，并 在节水、节能、环境保护等方面有着重大意义所以，加速发展冷却塔技术，研 究冷却塔结构在正常使用和罕遇地震作用下的力学性能，确保冷却塔设计及使用 中的安全、经济及耐久，有着深远的经济、社会意义。 中的安全、经济及耐久，有着深远的经济、社会意义。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 1 2 2 冷却塔的分类 1 根据冷却塔的热交换形式冷却塔可分为湿式冷却塔、干式冷却塔和干湿式冷却 塔三种。 干式冷却塔又称为空气冷却塔，这种冷却塔的载体不直接与空气接触，载体 的热量是通过带有片的金属管道，将热释放到大气中。按载体的不同又分为直接 空冷和间接空冷两种形式。该类冷却塔成本昂贵，仅适用于严重缺水地区。 湿式冷却塔是空气与水直接接触进行传质、传热，达到降低循环水温度的目 的。我国主要采用湿式冷却塔。 干湿式冷却塔系统由干式、湿式两部分组成，兼有干式冷却塔和湿式冷却塔 的优点，并能有效的控制雾气的形成，在发达国家有很好的发展前途。 2 根据冷却塔内的水流和气流方向可分为逆流式冷却塔和横流式冷却塔两种。 3 根据冷却塔通风方式可分为自然通风、机械通风和辅助通风冷却塔。 4 根据淋水填料形式可分为点滴式、薄膜式、喷水式、点滴薄膜式冷却塔。 上述分类可归纳如下： 冷却塔 自然通风 i 警萎 蓑桨萋 湿式 机械通风 干 辅 f 鼓风式 卜式馐鎏萎 助通风f 翥嚣萋 + f 自然通风1f 逆流式 “l 机械通风f1 横流式 干湿式 1 2 _ 3 自然通风逆流式冷却塔概述 自然通风逆流式冷却塔主要有一高大的风简，如烟筒一样，靠筒内外空气的 密度差造成的通风抽力使空气流向塔内，进行气液两相传热而达到冷却目的。塔 内外空气密度差越小则通风抽力越小，对水的冷却不利。所以，一般不宜高湿、 西安建筑科技大学硕士学位论文4 高温地区。 现代自然通风逆流式冷却塔均采用双曲线型钢筋混凝土薄壁壳筒，由于这种 塔的筒壁在垂直方向和水平方向都有曲率，因此，与圆锥形、圆筒形塔相比，简 壁下半部应力较小，可以减小壁厚，节约钢筋和混凝土。此外，双曲线型筒壁的 最小振动频率较高，因而具有较小的动态特性。 自然通风逆流式冷却塔下部装有配水系统及淋水装置。淋水填料安装在进风 口上部风筒壳体以内。填料顶部设有配水系统，一般采用敞开式的配水池，池底 有配水孔及喷嘴。冷却过程中，水流向下，气流向上，图1 2 1 。 口 团21 自然通风逆流式冷却塔示意图 除水器：2 - 配水系统：j 一淋水系统：4 一风筒 1 2 4 自然通风逆流式冷却塔主要组成部分及其作用 自然通风逆流式冷却塔主要由钢筋混凝土双曲线旋转薄壳通风筒、配水系统、 填料系统、淋水系统、斜支柱、基础、倒型基础、集水池及除水器等组成。 1 淋水填料 淋水填料是冷却塔进行热交换的主要部件，它将热水溅散成水滴或形成水膜， 以增加水和空气的接触面积和时间。填料性能的好坏直接关系到冷却效果。 自然通风逆流式冷却塔在设计中多采用塑料聚氯乙烯( p v c ) 制成的，膜式填 料有多层表面组成，热水流经该表面形成连续薄膜或薄片，空气从膜表面吹过， 从而实现直接传热过程。 目前常见的p v c 膜式填料有斜梯波淋水填料、梯形波淋水填料。 西安建筑科技大学硕士学位论文5 2 配水系统 配水系统由配水管、布水喷头等组成。 配水系统的作用是将热水均匀的溅散到整个淋水填料表面上面。在冷却塔设 计中配水管及喷水的布置是影响冷却塔效果的主要因素之一，配水不均，冷却效 果下降。 配水系统可分为：旋转式配水系统、槽式配水系统、管式配水系统和池式配 水系统。现已推出反射式喷头配水系统和多层喷头配水系统。 3 通风筒 冷却塔的通风筒包括环梁、筒壁及塔顶刚性环三部分。下环梁位于通风筒壳 体下端，风筒的自重及所承受的其他荷载都通过下环梁传给斜支柱，再传到基础。 筒壁是冷却塔通风塔的主要组成部分，它是承受以风荷载为主的高耸的薄壁结构， 对风十分敏感。塔顶刚性环位于壳体顶端，是塔筒在顶部的加强箍，它增强了壳 体顶部的刚度和稳定性。 风筒的主要作用是创造良好的空气动力条件，减小通风阻力，将湿热空气排 入大气，减少湿热空气回流。 4 斜支柱 斜支柱为通风简的支撑结构，主要承受自重、风荷载和温差应力。斜支柱在 空间是双向倾斜的，按其几何形状有“人”字形、和“v ”字形、“x ”字形，截面 通常有圆形、矩形、八边形等。基础主要承受斜支柱传来的全部荷载，按其结构 形式分为环形基础( 包括“r 型基础) 和单独基础。基础的沉降对壳体的应力分 布影响较大、敏感性强。 5 除水器 除水器是将冷却塔气流中携带的水滴与空气分离，减少循环水被空气带走的 损失，以及减少对周围环境与设备的不良影响。 6 集水池 集水池设于冷却塔的下部，汇集淋水填料等处落下的冷却水具有贮存和调 节水量的作用。 1 3 双曲线冷却塔结构国内外研究现状 1 9 6 5 年1 1 月，英国渡桥( f e r r y b r i d g e ) 热电厂发生冷却塔群八座塔中有三座 在风荷载作用下倒塌( 高1 1 4 m ，底部直径9 1 5 m ) 事故后，震惊了国际工程界。 西安建筑科技大学硕士学位论文 5 从此各国工程界展开了对于双曲线冷却塔的强度和稳定性的全面研究，数1 0 年来， 历经大量的理论分析和实验研究，取得了一大批理论及实践成果。 自6 0 年代起，c h a na s l 和f i r m a na 等采用将冷却塔旋转壳分割为若干 个环壳的办法，将节圆上位移i , 诈w 及其直到二阶导数展开成三角多项式，以其 将9 个系数作为未知数，提供了一种静力计算方法。国内，北京大学等单位在7 0 年代末，在c h a na s l 和f i r m a na 等研究的基础上，提出了冷却塔静力与动力 计算公式与程序，使我国冷却塔设计在有矩理论方面前进了一步。卢文达、蓬静 欣等对修正计算的加速度收敛问题进行了研究并进一步导出了x 型支柱刚度计算 公式，提供了支柱上冷却塔的静力计算方法与电算程序。文献 1 6 梅占馨等采用 轴对称双曲环壳单元研究了人字柱支承双曲线冷却塔的动力特性及地震荷载。 一般而言，风荷载是冷却塔的控制荷载，m a n g 研究和比较了冷却塔强度极限 荷载和屈曲荷载值，最早提出冷却塔的安全性主要应考虑强度问题而不是稳定问 题。卢文达的研究也得出屈曲荷载远大于强度极限载荷的相同结论。7 0 年代以后， 一批对风荷载研究的成果尤其引人注意，除了积累了大量可贵的风洞实验资料外， 一批现场实测的资料尤令人侧目( 如，n i e m a n n 于1 9 7 1 年，对位于德国，w e i s w e i l e r 的冷却塔；s o l l e n b e r g e r 和s c a n l a n 于1 9 7 6 年，对m a r t i n sc r e e k ，p e n n s y l v a n i a 的冷却塔；，n i e m a n n 和p r s p p e r ，对位于德国s c h e e h a u s e n 的冷却塔等进行了现场 实验，取得了一批宝贵的实验数据等) 。同时，随着风工程学的进展，大量的冷却 塔的风洞实验的数据也相继发表，为冷却塔的研究提供了实验依据。但是，风洞 实验由于r e y n o l d s 数和风洞阻滞效应的影响，所测数据有时难以从理论的角度阐 释；而现场实测则因费用过高且实验技术难度高，以及数据往往离散性大，难以 进行( 目前国际上的成功数据仅数例) ，因此，风洞实验与现场实测两种手段的有 效结合，使得两者的成果相互印证，大大的提高了人们对冷却塔在风荷载作用下 的力学性能的认识，也成为冷却塔工程界研究风荷载作用的有效手段。 7 0 年代以后，随着计算机技术的迅猛发展和计算方法的改善，一批新的计算 工具和技术应用于冷却塔的理论和实验研究，尤其是有限元方法与计算机技术的 有效结合，弥补了解析法的缺陷，使得冷却塔的计算更加实用和精确，大大的推 进了冷却塔工程研究的步伐。 同时，始于5 0 年代的结构风工程学的发展亦有力的加速了对冷却塔的研究， 依托计算机技术的发展，又产生了一门新的学科一计算风工程学，这使得冷却塔 在风荷载作用下的数值模拟技术成为可能。同时，利用计算机对实际物理过程进 行数值模拟一一“数值实验“的计算流体力学方法也迅速发展起来。这种研究方 法可以对建筑物周围的风场和建筑物表面的风荷载的全过程进行直接模拟，并且 能得到风场和风荷载等各物理量的连续分布信息，可以广泛的设定条件对任何情 西安建筑科技大学硕士学位论文 7 况进行模拟。数值模拟方法速度快、成本低、灵活、直观并且易于理解，这些都 是实验研究所不能实现的。由此有望攻破：( 1 ) 塔体表面所受风载的空间分布及其 随时间变化；( 2 ) 冷却塔队风荷载的响应，包括由脉动风荷载引起的动态效应，这 两大技术难关，从而有望展开冷却塔工程研究的新的广阔的前景。 8 0 代以来，随着冷却塔结构研究的进一步深入、工艺设备的改进和人们环保 意识的日益增强，国外对冷却塔进行脱硫改造中结构开洞技术在新建和既建冷却 塔中得到广泛的应用。而国内则刚网起步，尚处于初步的可行性论证阶段，鲜有 实用的成果发表。 1 4 课题研究的主要内容 本文结合国电北京某电厂既建冷却塔的脱硫改造中结构开洞的实际工程，在 研读了国内外大量珍贵的现场实测及风洞实验资料的基础上，吸纳其分析方法及 实测数据，借助国际上通用的大型有限元软件a n s y s ，全面的计算了冷却塔的在重 力、风荷载及罕遇地震( 时程分析法) 的力学性能，同时，采用a n s y s 的参数化设 计语言( a p d l ) 编制了应用于冷却塔的通用建模专用接口程序，简化了双曲线冷却 塔的建模，具有一定的实用意义。论文的主要内容概括如下： 1 分析了风荷载的静力及动力效应，采用实测系数，计算了双曲线冷却塔的风压 分布； 2 计算、分析了冷却塔未开洞时受自重与荷载作用下塔筒的应力分布规律、变形， 及斜支柱沿环向的受力规律； 3 分析、比较了开洞前后冷却塔塔筒应力分布规律的变化：通过计算，分析、比 较了开洞时，圆形洞口大小、开洞高度、开洞形状( 与上圆下方形洞口比较) 、 洞口与主导风向夹角等因素对洞口边缘应力集中的影响及整体结构强度、稳定 性的影响； 4 分析了冷却塔在风荷载作用下的稳定问题，比较了几例简便计算公式的适用性 及局限； 5 分析了冷却塔的动力特性及其影响因素；采用天津波对冷却塔进行了罕遇地震 时程响应分析： 6 采用a n s y s 的参数化设计语言( a p d l ) ，借助a n s y s 的开放式技术平台，编制了建 模专用接口程序，同时针对冷却塔的开洞与风荷载加载问题编制了专用接口程 序，具有一定的普遍适用性。 西安建筑科技大学硕士学位论文8 上述计算、分析以实际工程实践为依托，以期探索冷却塔开洞问题诸多因素 对结构整体、洞口边缘，强度、稳定性问题的普遍的影响规律，为冷却塔脱硫改 造中结构开洞的校核、加固、设计及施工提供有益的理论依据和实用的参考建议。 同时，编制的程序有一定的普遍适用性，可为双曲线冷却塔开洞的分析研究提供 较大的便利 西安建筑科技大学硕士学位论文 9 2 1 引言 2 风荷载及风压计算 就设计而言，首要任务是保证结构在其预期寿命期间内，从结构安全性和适 用性上保持其性能。为此，在双曲线冷却塔设计中，设计人员需要研究以下几方 面：( 1 ) 风环境，( 2 ) 环境与它在结构上引起的作用力之间的关系，( 3 ) 荷载的作用下 结构的响应。 就本质而言，风荷载对冷却塔体的作用属随机过程，其作用可简化为准静力 荷载和空气涡旋所产生的动力效应荷载两部分，而空气涡旋所产生的动力效应荷 载，在冷却塔环向及子午向均呈随机过程。因此，即使获得足量的实测试验数据， 要真实地反映冷却塔结构在风荷载作用下的规律亦极为困难。而足尺实测的数据 表明，风压在冷却塔上的分布并非对称( 现行规范简化为对称分布) 。另外，基于 对几座有代表性的冷却塔的大型现场试验研究表明，采用冷却塔喉部所测的分布 系数用于塔体全高时，在低阶模态反应与实际吻合较好，用于整体，则稍显保守。 本文的计算，则是采用s o l l e n b e r g e r 和s c a r d a n ，1 9 7 6 年，对m a r t i n sc r e e k 冷却塔 ( 下文简称m c 塔) 进行实测所得的风压分布系数，进行数值计算。m c 塔的实验数 据在冷却塔工程界较为推崇，本文采用这些国际上较为认可的实验数据，以期尽 可能真实的反应双曲线冷却塔在风荷载作用下的力学性能，得到一些有价值的规 律和数据，利于工程界参考。 钢筋混凝土双曲线冷却塔在风荷载作用下，其破坏是由于塔壳迎风面最大拉 力的子午向钢筋被破坏或者最大受压区的局部屈曲引起。m a n g 研究和比较了冷却 塔强度极限荷载和屈曲荷载值，最早提出冷却塔的安全性主要应考虑强度问题而 不是稳定问题。国内，卢文达的研究也得出屈曲荷载远大于强度极限载荷的相同 结论。 1 9 1 4 年，世界上首座冷却塔仅高3 51 t i ，至1 9 8 0 年冷却塔的建造高度已接近 2 0 0 m ，其中一部分用于核电站。自从1 9 6 5 年英国渡桥( f e r r y b r i d g e ) 热电厂发生冷 却塔群八座塔中有三座在风荷载作用下倒塌( 高1 1 4 m ，底部直径9 1 5 m ) 事故后( 事 后调查结果指明，这次破坏是塔的迎风面上巨大的拉力引起的，同时，也证明在 冷却塔群中，塔壳体所受风致应力要比孤立结构时严重得多) ，国际工程界对于双 曲线冷却塔的风荷载研究已进行了历经长达数1 0 年的大量的理论分析和实验研 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 0 究，取得了一大批理论及实践成果。其中对风荷载的实验研究主要有两种途径：( 1 ) 风洞实验，( 2 ) 现场实测。前者由于r o y n o l d s 数和风洞阻滞效应的影响，所测数据 有时难以从理论的角度阐释；而后者则因费用过高且实验技术难度高，以及数据 往往离散性大，难以进行( 文献 5 7 】) 。国际上现今仅有为数不多的几个成功实验数 据可供参考。实验研究主要集中于两个方面：( 1 ) 塔体表面所受风载的空间分布及 其随时间变化；( 2 ) 冷却塔队风荷载的响应，包括由脉动风荷载引起的动态效应。 文章 5 8 介绍了著名的m a r t i n sc r c e k o v i c 塔) 冷却塔试验研究项目，就实验中 风压传感设备的研发、安装，试验数据的采集系统、处理分析系统等进行了介绍， 并给出了该塔的喉部截面上的风压分布曲线；文章1 5 7 1 利用有限元方法分析了三 个国际上著名的冷却塔实测试验数据，为其在工程上应用作了可贵的尝试；文章 5 8 则试图基于m a r t i n sc r e e k 冷却塔风压实验的数据，建立自然通风冷却塔的动力风 压的风压分布规律，以供设计参考。这些有益的尝试，促进了冷却塔研究的进展。 2 2 风及其对建筑物的作用 风是地球表面空气运动的结果，由于地球表面不同地区的大气层所吸收的太 阳能量不同，造成了不同地区大气压的不同，例如一些地方上面的冷空气，密度 越大，气压也就越大些，另一些地方上面的空气暖，密度小些，气压也就小些， 这样空气从气压大的地方向气压小的地方流动，空气的这种流动就形成了风。 工程结构中涉及到的风主要由两类：一类是大尺度风，如温带及热带气旋。 温带气旋( e x t r a t r o p i c a lc y c l o n e ) 是由于高山阻碍对大尺度气流的影响，或者由于具 有相对均匀物理特性的空气团在大范围内相互作用所引起的，温带气旋常发生于 纬度3 5 。到顶7 0 。，其宽度可达到1 5 0 0 k m 。热带气旋( t r o p i c a lc y a l o n e ) 是常发生在 热带海洋中的大气漩涡，其能量来自水蒸气凝结时所释放的潜热，其直径可达几 百公里，涡旋中心可达数公里，风速超过1 2 0 k m h 的热带气旋又称为飓风 ( h u r r i c a n e ) ，飓风在远东称为台风( t y p h o o n ) ，在澳洲及印度洋地区则称为气旋。另 一类是小尺度的局部强风，如龙卷风、雷暴风、梵风、布拉风等。龙卷风( t o m a d o ) 是由直径可达3 0 0 m 的空气漩涡所组成，它是在强烈的泪暴风中产生的，相对地面 的风俗可达3 0 1 0 0 k m h ，它的水平尺度在地面处的直径一般在几米到几百米之 间，其持续时间不长，只有几分钟到几十分钟，但破坏力很大，是一种破坏力最 强的小尺度风。雷暴风( t h u n d e r s t o r m ) 是由于水蒸气在高空的冷凝所形成的，其瞬 时风速一般为5 4 9 0 k m h ，其发生时还伴有闪电雷鸣和雷雨。梵风( f o e h n ) 也称热 燥风，是由于下沉运动使空气温度升高、温度降低的风，常出现在山脉的背风面。 布拉风( b o r a ) 是常发生于陡峭斜坡隔开的高山与平地之间的风。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 不管什么类型的风，与建筑物有关的都是靠近地面的流动风，即所谓的近地 风。由于近地风靠近地面，因此当其穿过不同的地区或地形带( 如海洋、陆地、山 地、森林和城市等) 时，其本身的结构( 如涡旋尺度等) 就发生变化，不同的时间和 空间，风速也就不同。因此，近地风就有明显的紊乱性和随机性。 根据气象部门对近地风的大量实际观测资料，实用上常把近地风分成平均风 ( 即稳定风) 和脉动风( 阵风) 两部分。平均风是在给定的时间间隔内，把风对建筑物 的作用的速度、方向以及其他物理量都看成不随时间变化的量，其周期较长，其 性质相当于静力作用。脉动风是由于风的不规则性引起的，其速度和方向是随时 间和空间变化的，具有强烈的随机性，其周期较短，性质相当于动力作用。对于 结构设计而言，重要的是建筑物表面的风压分布，特别是具有拟静态作用的相应 于平均风的平均风压分布，因此研究平均风条件下对建筑物的具有十分重要的意 义。 处于风场中的建筑物，在相同风速的作用下，对于外形不同的建筑物可引起 完全不同的风压值和分布，建筑物的迎风面会受到一定的风压力，背风面可能产 生涡旋引起的吸力和横向干扰力。对于非流线型建筑物，这种可能性更大，整个 结构表面的风压力、吸力和横向干扰力的分布式不均匀的。随着结构的高度、体 型、迎风面积的不同，风速、风向和湍流结构的变化，风的各种压力也会随时间 变化。因此，风对建筑物的作用是一个很复杂的过程，一般来说风对建筑物的作 用有以下特点： 1 作用与建筑物的风含有静力和动力两部分，且随高度变化而变化： 2 风对建筑物的作用与建筑物的外形有关： 3 风对建筑物的影响受周围环境的影响较大，位于建筑群中的建筑物有时出现更 不利的风力作用； 4 风力在建筑物上分布很不均匀，在角区和立面内收区域会产生较大的风力； 5 相对于地震来说，风力持续作用时间较长，长达几十分钟甚至几个小时。 2 3 平均风沿高度变化的规律 平均风速是风的一个重要的统计特征，对于确定风力的大小具有决定性的意 义。在工程应用上，一般以十分钟的平均风速来确定风力的大小。近地面的平均 风沿高度的不同，风速也不同。风速沿高度的变化受到地表构造的影响，地表面 越是粗糙，摩擦作用就越强，其影响就越大。在大城市中，高楼林立，对风速的 影响要比广阔的海洋大得多，特别粗糙的地面，风速受影响的高度约为4 0 0 m 。在 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 2 这高度以上风速与地表构造无关：中等粗糙的地面( 如田野、乡村、丛林、丘陵和 城郊等) 影响风速高度约为3 5 0 m ；在近海海面及大沙漠地区，影响风速高度约为 3 0 0 m 。影响风速的高度称为梯度风高度。平均风速沿高度的变化规律，又称为平 均风速梯度或风剖面，它是风的重要特性之一。 平均风沿高度变化的规律一般有两种表达形式，即按实测结果推得的指数风 剖面和按边界层理论得出的对数风剖面。 2 3 i 指数风剖面 根据实测结果的分析，d a v e n p o r t 等指出，平均风沿高度变化的规律可用指数 函数来描述，即： 三： k l 2 ， ( 2 3 1 ) 式中z 、v ：任一点的高度和该点处的平均风速； 、_ ：标准高度和标准高度处的平均风速，大部分国家，标准高度常取1 0 m ； a ：与地面粗糙度有关的系数，地面粗糙度越大，n 亦越大。 为便于工程设计，我国“建筑结构荷载规范 ( g b 5 0 0 0 9 2 0 0 1 ) 将地貌按地面粗糙 度分为a 、b 、c 、d 四类。a 类指近海海厩和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；b 类 指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区：c 类指有密集 建筑群的城市市区；d 类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。 2 3 2 对数风剖面 对数风剖面是指平均风速剖面的另一种重要形式。根据a c 冈滓对于近地面 的下部摩擦层的研究，以及我国对北京双桥1 5 0 m 铁塔的观测，近地面的下部摩擦 层比较符合对数规律，其一般表达式； 兰：! 兰! 二! 呈鱼 y rl n z , 一l n 2 0 ( 2 32 ) 式中2 0 为风速等于零的高度，虽地面粗糙度变化而变化，亦称地面粗糙度。 。0 一般略大于地面有效障碍物高度的1 1 0 ，根据不同地貌的实测资料可知， 卸的值变化于o 0 0 31 5 0 e m 之间，大多数值在2 4 c m 之间。地面粗糙程度越大， 动也越大。 对风的实测研究表明，对数风剖面仅能较精确的描述1 0 0 m 以下的平均风速变 化规律。 西安建筑科技大学硕士学位论文1 3 2 4 风的湍流特性 地球大气边界中风流动的紊乱性和随机性质风气流中的湍流引起的。在结构 工程中，除了关心平均风外，脉动风也很重要，对结构产生动力作用的脉动风实 际上是一种三维的风湍流。风的湍流特性对风荷载会产生很大影响，了解风的湍 流特性对于结构工程师非常必要的。其一，刚性结构及构件要承受脉动的随时间 变化的风荷载，而引起风的脉动的原因之一就是湍流；其二，风速脉动将引起柔 性结构表现出共振放大效应；其三，结构的空气动力特性以及实验室里所进行的 相应的空气动力实验结果都与气流中的湍流密切相关。风的湍流特性通常是由其 湍流强度、湍流积分尺度和湍流脉动风速谱来描述的。 2 4 1 湍流强度 描述风的湍流特性的最简单的参数是湍流强度，它定义为脉动风速的根方差 巳与平均风速y 之比，z 高度处的湍流强度为： ( 2 4 1 ) 无量纲的湍流强度与地面粗糙度和测量点的高度有关，虽然湍流强度越大， 意味着气流中脉动风的成分越多。实测结果表明，湍流强度随高度增加而减小， 靠近地面一般可达2 0 3 0 。 2 4 2 湍流积分尺度 通过某一点气流中的速度脉动，可以认为是由平均风所输运的一系列涡旋相 互叠加和作用所引起的，每一个涡旋都可看成在那一点引起了周期性脉动，其圆 周率为国5 z 虿。与形波类似，若风速为v ，可定义涡旋波长为 = v ，波长a 即 为涡旋大小的一种量度。相对于一定尺度的建筑物而言，涡旋的大小对作用于建 筑物上的风荷载有较大影响。 湍流积分尺度是气流中湍流涡旋平均尺寸的度量，对应于纵向、横肉和垂直 方向脉动风速分量乱，v 和w 有关的涡旋的三个方向，共有九个湍流积分尺度。 例如“，“和。w 分别度量了与纵向脉动速度有关的涡漩纵向、横向和垂直方向 的平均尺寸( 。代表平均风速和纵向脉动风速的方向) 。 在数学上定义e 为： e = 去f r ，：0 皿 “ ( 2 4 2 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 4 式中r 。：g ) 是鼹个纵向速度分量“。和“：的互协方差函数。其他湍流积分尺度 可类似定义。 2 4 3 湍流脉动风速谱 脉动风可看成是一种随机动力干扰，因而，脉动风速服从统计规律，可用统 计方法来描述。在风工程中，d a v e n p o r t 根据世界上不同地点、不同高度测得的近 百次强风纪录的谱分析结果提出了脉动风速谱的经验公式： 嘶卜4 后南 ( 2 。3 ) w l ： 舻丽 ( 2 式中k 一一反映地面粗糙度的系数： v ( 1 0 ) 一一离地面1 0 m 高处的平均风速； “一一湍流积分尺度，d a v e n p o r t 取为1 2 0 0 。 d a v e n p o r t 的风速谱没有反应脉动风速谱沿高度变化情况，但实际观测表明： 随着高度的增加，脉动风速谱的峰值将有所降低。因而，e m i ls i m i u 等人提出了一 些改进的风速谱，但均没有d a v e n p o r t 谱的形式简单和著名。目前，大多数国家的 风荷载规范都采用d a v e n p o r t 风速谱。 2 5 建筑结构风荷载的主要研究方法 就建筑结构风荷载的主要研究方法而言，传统的主要是现场实测、模型实验 和理论分析，而数值模拟是近年来发展起来的新的研究方法。 2 5 1 实验研究 结构风荷载最可靠的数据资料往往要由实验测量得到，采用全比例模型进行 现场实测研究可以预测由它完全复制的同类结构在相同条件下的风荷载情况。但 在大多数情况下，这种全比例实验是极其昂贵的，或者根本不可能实现。现场实 验是最直接的研究手段，对于检验其他方法所得的结果的可靠程度是不可或缺的， 但无法在研究对象( 建筑物) 建造之前进行，同时现场实测也只能是记录一次或几次 强风的结果。数值模拟风场及风荷载可以很好地克服这一缺点，但由于研究对象 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 5 是复杂的三维结构，计算量大，以前的微型计算机速度和内存容量均不能满足实 际应用的需要，所以在很长一段时间内是以实验室模拟为主，特别是风洞试验室 主要的研究手段。 风洞是一种很好的实验测量方