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西- l t 3 j 业犬学硕士学位论文摘要 双曲冷却塔风振特性研究 摘要 超高型钢筋混凝土双曲冷却塔是现代火力发电厂的重要设施之 一。原有通过经验统计概率得出的风振系数，或者按悬臂梁结构计算 风振系数，对双曲冷却塔这种大型壳体结构可能产生误差，因而已不 能满足现代超高超大型双曲冷却塔的设计要求。 本文的研究即主要针对此项工作展开。通过对一拟建超高超大型 双曲冷却塔的模型进行风洞试验研究与有限元计算分析，确定其合理 的风振系数，同时对双曲冷却塔原型进行在风载、自重作用下的应力 分析及屈曲稳定性分析，以确定冷却塔，为双曲冷却塔结构设计提供 最佳参数。 首先设计制作了冷却塔动力相似弹性模型，对冷却塔模型进行了 模态试验，测试出固有振动频率和固有振型，并与计算得到的冷却塔 原型的固有特性进行对比，以保证模型设计的动力相似性。 冷却塔风振试验采用的风向是根据冷却塔地理位置实际风向的 频度、强度来确定，并考虑现场地貌、地面附着物和厂房对塔体风压 分布的影响，得出冷却塔风洞模拟试验条件下的风压高度变化系数、 体形系数。 在冷却塔风振的风洞试验中，采用刚性模型与弹性模型同时安放 在风洞中的方法进行测试。风振系数测试结果表明，体型系数数值计 算结果和风洞实验结果吻合较好；弹性模型各测量点的振动幅值不 同，测得的风振系数也有所不同，并与计算得到的风振系数值基本吻 合。 在风荷载作用下冷却塔的应力分析中，采用三维有限元模型，筒 体按空间壳元、人字支柱采用空间梁元，应力分析得到了冷却塔筒体 上应力分布的严重部位和应力分布；在冷却塔屈曲稳定性分析时，采 用增量加载，逐步提取特征值的非线性屈曲分析方法，得到的冷却塔 失稳临界风压值与经验公式计算得到的失稳i 临界风压值吻合。本文的 研究结果对超高超大双曲冷却塔的设计具有参考意义。 关键词：双曲冷却塔风振试验风振系数 a b s t r a c t h y p e r b o l i c a lc o o l i n g t o w e r i s a l l i m p o r t a n t e s t a b l i s h m e n ti nt h e l t i l a l p o w e r s t a t i o n s ，t h ec o o l i n g t o w e rm a i nb o d yi s f o r m e db yt h i ne l a s t i ch y p e r b o l i c a ls h e l l s n l i sk i n do fs t r u c t u r ei ss e n s i t i v et ow i n dl o a d s ，s oi t i sn e c e s s a r yt od e t e r m i n ei t s w i n di n d u c e dv i b r a t i o nc o e f f i c i e n t sa n dt oa n a l y z ei t sm e c h a n i c a lb e h a v i o r su n d e r w i n dl o a d sw h e nc o o l i n gt o w e ri sd e s i g n e da n db u i l t t h ew i n di n d u c e dv i b r a t i o n c o e f f i c i e n t sf o rh y p e r b o l i c a lc o o l i n g t o w e ru n d e r1 5 0 m - h e i g h th a v e b e e ns u g g e s t e di n t h ed e s i g nm a n u a l b u tf o rh y p e r b o l i c a lc o o f i n g t o w e rm a ti t sh e i g h ti so v e r1 5 0 m t h e p r e s e n tm a n u a lc a n tg i v er e l i a b l er e f e r e n c e s t h eo b i e c to ft h i st h e s i si st os o l v e s u c hp r o b l e m s i no r d e rt o g u a r a n t e et h e s a f eo ft h eh y p e t b o l i c a lc o o l i n g t o w e r , e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n d t i l e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na r ci m p l e m e n t e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h es c a l e m o d e lp r i n c i p l e s ，a ne l a s t i cs c a l em o d e lo ft h eh y p e r b o l i c a l c o o l i n g t o w e rw a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，o nw h i c h av i b r a t i o nt e s tw a sc a r r i e d o u tt ov e r i f yt h a td y n a m i c a lp r o p e r t i e sa r es i m i l a rb e t w e e n 血em o d e la n do r i g i n a l s t r u c t u r e a tt h es a m et i m e ，ar i g i dm o d e lw i t ht h es a m ed i m e n s i o ns c a l ef a c t o ra l s o w a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h e n 山et w os c a l em o d e l sw e r ep u ti n t ow i n dt u n n e l 砒t h es a m et i m ea n dt e s t e d i nt h ew i n dt u n n e lt e s t st h ed a t ao fs t a t i cw i n d p r e s s u r eo n t h er i g i dm o d e la n do fd y n a m i c a lw i n dp r e s s u r eo nt h ee l a s t i cm o d e lw e r ec o l l e e r e d t h ew i n di n d u c e dv i b r a t i o nc o e m c i e n t so ft h o s et e s tp o i n t so nt h em o d e l sw e r e o b t a i n e df r o mt e s td a t a i nw h i c ht h em a x i m u mw a s2 0 2a n dm i n i m u mw a s1 2 5 t h e r e s u l t so b t a i n e df r o m l e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fw i n di n d u c e dv i b r a t i o nc o e f f i c i e n t s a g r e ew i t ht h o s ef r o mw i n dt u n n e lt e s t s i no r d e rt oa n a l y z et h eb e h a v i o r so fc o o l i n gt o w e ru n d e rw i n dl o a d s a3 df i r t i t e e l e m e n tm o d ew a su s e d t h et o w e rs h e l li sd i s c r e d i t e dw i t hc u r v e d8 一n o d e st h i ns h e l l e l e m e n t s t h ed i s c r e t es u p p o r t i n gc o l u m n sa r em o d e l e du s i n ge q u i v a l e n ts t i f f n e s s b e a me l e m e n t s t h ei n v o l v e dl o a d si n c l u d ew i n df o r o ea n ds e l f - w e i g h to ft h ec o o l i n g t o w e r t h e s er e s u l t so b t a i n e df r o m f e a ，i n c l u d i n gd e f o r m a t i o n s ，s t r e s s e s ，a n ds t r a i n s ， p r o v i d e r e f e r e n c e sf o rt h ei m p r o v i n g d e s i g no f t h ec o o f i n gt o w e r f u r t h e r ，t h es t a b i l i t y o ft h ec o o l i u gt o w e ri sa n a l y z e db yn o n 1 i n e a rf e m t h eb u c k l i n gw i n dv e l o e i t yi s f u r t h e ra w a yt h er a n g eo fd e s i g nw i n dv e l o c i t y ，s ot h es t a b i l i t yo ft h ec o o l i n gt o w e r c a nb e g u a r a n t e e d k e y w o r d s ： h y p e r b o l i c a lc o o l i n g t o w e r ，w i n di n d u c e dv i b r a t i o nt e s t ，w i n di n d u c e dv i b r a t i o nc o e f f i c i e n t 西北工业大学硕士学位沦文第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 能源工业的发展决定着社会整体经济的发展，核电站代表着核工业 高新技术的飞速发展，大型水利发电利用了大自然的天然优势。火力发 电至今仍是世界上许多国家的重要电力设施。钢筋混凝土双曲冷却塔是 火力发电厂的重要设施之一，随着电力工业的迅速发展，单机容量不断 增大，用于冷却循环水的大型双曲自然通风冷却塔也愈来愈高。例如 1 9 1 4 年世界上最高的冷却塔仅为3 4 米高，而到了1 9 8 4 年以后发展到了 1 6 5 米高，至今仍在不断增加。因此，钢筋混凝土双曲冷却塔向着超高 超大方向发展，其设计依据也需要不断更新和充实。 1 9 6 5 年1 1 月1 日，英国费尔桥电站八座自然通风冷却塔在大风中 有三座倒塌，1 9 7 3 年英国的a r c l e e r 又在大风中倒了1 座，造成严重事 故，引起国际上普遍注意。各国都开展了关于冷却塔强度的研究。我国 在1 9 7 3 年国家电力部科研所成立了由全国各大设计院组成的超大型冷 却塔研究组，同时和北京大学力学系订立了关于冷却塔科研项目的委 托。之后的几年里先后取得了一批成果。1 9 7 6 年唐山大地震，一般建筑 都夷为平地，而唐山发电厂2 0 0 0 开的冷却塔完好无损，就是因为设计 者采用了可靠准确的设计依据，避免了灾难的发生。 随着计算机技术的发展，旋转壳体静力分析程序、旋转壳体动力分 析程序等应力分析程序的使用，超大型冷却塔也象高耸建筑一样在我国 不断兴起。双曲冷却塔高度从6 0 m 发展到1 5 0 m 。具有标志性的是我国 自行设计的山东辛店火力发电厂钢筋混凝土双曲冷却塔第一次超过了 9 0 米。目前我国超过9 0 m 高的冷却塔已近百座。这就需要开展研究， 为我国的工程界向新的技术水平发展提供更高一级的设计参数作为设 计依据。 1 2 课题的提出 以西北一高1 52r a 、直径儿l m 钢筋混凝土双曲冷却塔为例，对其进 行静动力分析及相关地面自然条件与风洞试验的研究。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪沦 1 2 1 冷却塔的力学问题分析 以一平面曲线绕其平面内某一轴旋转而形成的曲面称为旋转面，以 旋转面作为中面的薄壳称为旋转壳。双曲冷却塔是旋转壳的一种类型， 在电力工业中最为常见，上述曲线通常称为母线，这里是双曲线，轴称 为旋转轴。母线在旋转的每一时刻与旋转轴构成的平面称为子午面，在 旋转曲面上的这些母线也就称为子午线或经线。母线上任一点的旋转轨 迹是一个圆，这些圆称为平行圆，有时也称为纬线。 1 。2 1 。1 风载响应 目前建造的冷却塔的直径常在5 0 1 0 0 m 之间，自振周期常在0 5 2s 之间，斯脱罗哈数通常可取o 2 ，共振风速在5 0 m s 以上。这样高的风 速在工程上是较少遇见的，因而横风向旋涡脱落共振可能性很少，主要 是处于顺风向受力状态。 风对高耸构筑物的作用，除稳定风载引起静力作用外，其脉动风载 还引起动力作用。构筑物对阵风脉动的动力反应主要包括： ( 1 ) 由风压脉动引起的振动； ( 2 ) 由紊流和漩流引起的振动； ( 3 ) 由邻近其它建筑物的尾流引起的振动； ( 4 ) 由空气动力的负衰减引起的振动。 桅杆、塔架、烟囱等高耸构筑物以第1 种振动为主，对高耸建筑物 及筒体，冷却塔风筒等以第4 种振动为主。 1 2 1 2 关于风荷载计算公式中几个系数的讨论 ( 1 ) 、风荷载的超载系数问题 在风荷载计算中风压超载系数主要是考虑风压脉动影响而设的，一 般定义是取瞬时极大风压与标准( 平均最大) 风压之间的比值( 简称风 压比) 。苏联建筑法规规定风压超载系数为1 。2 ，我国荷载规范暂行规定 ( 规范1 5 8 ) 规定为1 3 ，就是按上述定义确定。用风速比与平均风速 的相关式而求得。值得指出，用这种方法所求得的超载系数与脉动系数 之间具有确定关系。因此风压超载系数n 与风压脉动系数之间具有如下 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 关系： 1 1 =1 + m 关于高耸建筑物风荷载超载系数，苏联规范规定取1 2 ，我国是否 应该规定为1 3 或更大呢? 这是一个值得讨论的问题，无论是按苏联规 范或我国规定，对一般高耸结构来说风压0 都不必取超载系数，而应该 取具有一定保证率的平均最大风压，这可以从以下几个方面说明： 无论是苏联规范方法还是我国规范都是用风压分解为静风压 ( 平均最大风压) 与脉动风压两部分分别研究的，同时由脉动风压所引 起的折算静风载又是通过静风压来表示，因此0 ，就应是平均最大风压。 从风荷载计算公式中，口= 1 + 薯m 可以看出，风压增大系数1 3 不仅 反映了脉动风压的静力作用，而且把脉动风压乘以动力系数以后，也考 虑了其动力影响，包括高耸结构阻尼较小，在风载作用下易于破坏这一 因素，因而为计算脉动风压影响的超载系数已包括在风压增大系数1 3 或 本文方法的参与系数中。事实上，对于一般工业与民用建筑来讲由于自 振周期小，阻尼大，动力系数接近于1 ，从而得到b = 1 + 亏m = n ，亦即在 极限情况下暑= 1 时，b 转为超载系数n ，卢易转为1 1 6 一。 虽然风压超载系数除了考虑风压脉动的影响外，一般说来还应 考虑偶然大风的影响，但鉴于我国荷载暂行规定所规定的标准较大风压 具有保证率1 6 7 2 ，一般认为是6 0 年一遇的大风，因此偶然大风的因素 已在保证率中考虑。 总括以上分析可知：由于风压脉动影响已包括在风压增大系数口或 参与系数1 3 _ 中，面偶然大风的因素已在所取最大风速的保证率中考虑。 因此对于一般高耸结构来说，风荷载计算公式中的风压均应取具有一定 保证率的平均最大风速。一般可取我国荷载暂行规范中所列标准风压而 不必乘超载系数，对于某些特殊重要或纪念性的高耸结构，建议采用高 结构的安全度，如果为了设计安全只考虑提高风压超载系数，加大最大 风速保证率可能会造成不必要的浪费。 ( 2 ) 、关于风振系数 风振系数是随高度变化的，其取值目前根据的理论基础与规范规 定，主要是按悬臂梁结果计算，对壳体可能产生误差。风荷载沿高度变 3 西北工业大学硬士学位沦文 第一章绪论 化与风振时惯性力沿高度变化一致，且也与地震时惯性力沿高度变化一 致，因而在我国规范中关于地震条文规律表达式是相似的。由于采用了 常数风振系数，等于假设了脉动引起的风振惯性力与平均风规律相同， 在高度变化上与外形等有关而却与质量和刚度无关，这样不合理。应结 合试验进一步研究。 1 3 关于冷却塔结构进一步研究的问题 1 3 1 我们知道，在设计中，冷却塔地基基础的研究。相当一部分钢 筋在基础上。这样做有许多不合理，但由于研究得不够，所以还不能改 变。目前相关专业研究者正在研究包括配筋在内的地基基础的通用程 序。 1 3 2 有初缺陷冷却塔抗震强度分析。施工很好的冷却塔抗震性能很 好。但有初缺陷的塔就不尽然了。因为形状和质量的不规则分布易于在 地震时激起不利振型。丽对这个闫题，了解得还很不够。这项工作的进 行有利于地震区建塔的设计，可以提供允许偏差的控制数据。 1 3 3冷却塔稳定性的研究，至今是国际上没有解决的难题，仍沿用 若于半经验公式。 1 3 4冷却塔风振的研究，这项研究将使设计中风振系数的确定更为 合理。 1 3 5 关于冷却塔其它构件的研究。长期以来，不论国内还是国外都 集中于搞大型塔筒的研究，对于其它构件注意不够，例如内部构架，施 工机具引起的附加应力等问题。塔吊振动引起的效果也值得研究。 1 3 6 结构优化研究以及计算视辅助设计的研究。冷却塔结构相对说 来并不复杂，比较易于用电子计算机进行选优设计，从应力分析参数选 择到配筋出图纸直到工程工料成本估算全部可以由电子计算机完成。这 将太大提高工效雨且改进设计质量。当前国内的技术条件是具备的，只 要集中适当的人力物力是可以办到的。 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 4本文工作简介 本文主要通过理论分析及试验验证，对钢筋混凝土双曲冷却塔在风 载作用下的应力和屈曲稳定性进行分析。具体工作如下： 1 4 1 建立了冷却塔弹性模型，并进行了弹性模型的地面共振试验， 测试了冷却塔固有频率和固有振型。 1 4 2应用有限元法对冷却塔的固有频率和固有振型进行分析。 1 4 3 根据冷却塔模型风洞试验数据，对冷却塔在风载作用下的变形 和应力进行分析，得到冷却塔强度合格的结论。 1 4 4 采用经验公式和m c r c 有限元程序分别计算冷却塔屈曲失稳临界 风压，并进行了对比。 1 4 5 计算了冷却塔风振系数和位移风振系数，并与风洞试验得出的 风振系数进行了比较，验证了计算结果的正确性。 西北工业大学硕士学位论文第二章玲却塔的固有频率和固有振型测试 为 第二章冷却塔的固有频率和固有振型测试 2 1 冷却塔弹性模型的建立 2 1 1 试验模型几何外形 根据现有的风洞尺寸及原型的大小，确定结构长度相似比 r = l ：l = 1 ：2 0 0 原型是混凝土结构，弹性模量e = 3 x 1 0 ”n i m 2 ，设计模型时为 了满足相似比要求及加工工艺要求，选用玻璃纤维制作弹性模型， 弹性模量e7 = 0 7 2 3 1 0 1 0 n t m 2 ，相应的弹性模量相似比为： e = e ：e = 0 7 2 3 ：3 因此，可得对应的频率相似比为： f = f 。：f = 0e = 0 4 9 0 9 x 2 0 0 = 9 8 1 8 由于模型所用材料密度小于原型材料密度，在模型里必须补进质量 的差值，并使配重尽可能均匀分布。配重用强力胶固定在模型内部， 以方便调节配重，并且不影响气动外形。 2 1 2 测试试验中坐标系的建立 测试试验中建立的坐标系如图2 1 所示。在地面共振试验时 传感器均布置在坐标点上。 图2 1 坐标系及冷却塔外形示意图 6 ：上 西北j 业太学硕士学位论文兰三垦堡塑塑塑旦查塑皇塑旦查堡型塑堕 2 1 3 冷却塔模型的安装 冷却塔模型根部固支在专门的支座上，支座固定在承力台上 呈直立方式安装。 2 1 4 测试设备 共振试验中使用美国科学亚特兰大公司的s a 3 9 0 信号分析仪 及美国s m s 公司的s t a r s y s t e m 模态分析软件，以及美国p c b 公司的加速度传感器及力捶，国产电磁式激振器和功率放大器以及 信号发生器。首先用捶击法了解模型固有频率的分布及频率范围， 以确定正弦扫描时的频率上限。其基本原理是，用力锤对模型施加 脉冲激励，在测点安装加速度传感器测得脉冲响应，通过富立叶变 换得到频响函数。由其峰值所对应的频率，就是各固有频率值。捶 击法的优点是方便快速，没有附加质量和附加刚度的影响，但对于 复杂结构，得到的频响函数信噪比较差。因此正式测试采用正弦扫 描法测量模型的前5 阶振型。其基本原理是，由信号发生器产生一 扫描正弦信号，通过激振器对模型进行激励，通过力传感器测量力 信号，同时用加速度传感器测量扫描正弦激励下的响应，从而获得 在设定频段内的频响函数，用该法测得的频响函数一般比捶击法得 到的频响函数“干净”得多，故在试验中用它来识别固有频率和振 型的精度较好。识别的基本原理是，通过模态识别软件 s t a r s y s t e m ，采用多项式拟合方法，由频响函数各个极大值所 对应的频率给出各阶固有频率，由各选定固有频率值下的各测点加 速度幅值与相位，识别出模型的固有振型。此外，根据频响函数曲 线的半功率带宽，识别出各模态的阻尼因子。 2 2 测试目的 通过地面共振试验的结果验证冷却塔原型振动特性计算结果， 保证冷却塔模型风洞试验中弹性模型设计的准确性。 风振系数的测量能够为冷却塔原型的设计工作提供合理的风 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章冷却塔的固有频率和固有振型测试 振系数，以保证设计工作顺利进行。 为： 2 3 试验内容 进行冷却塔弹性模型的地面共振试验，测量的主要模态参数 ( 1 ) 前五阶模态的频率； ( 2 ) 前五阶模态的振型； ( 3 ) 前五阶模态的阻尼。 为了进行冷却塔弹性模型的风振系数测量试验，设计制造了 个与弹性模型外形尺寸完全一致的刚性模型，对弹性和刚性模型同 时进行风洞试验，测量的主要参数为： ( 1 ) 刚性模型测量点处的压力值； ( 2 ) 弹性模型对应测量点处的压力值。 2 4 传递函数测试 试验时的激励点布置如图2 2 所示，模型共1 4 4 个结点，其 中1 2 8 各振型测量点，测点1 为激励点。 由锤击法得到的频响函数曲线，可以预知，模型前五阶固有频 率都在2 0 0 h z 之内，且在1 点激励，激出冷却塔弹性模型的前五 阶模态。在用正弦扫描法进行共振试验时，频率扫描上限定为 3 0 0 h z 。 图2 2 振型激励点示意图 ：上 西北工业大学硕士学位论文第二章冷却塔的固有频率和固有振型测试 采用正弦激励方法，由超低频信号发生器产生o 3 0 0 h z 的扫 描正弦信号，经功率放大器放大后，驱动电磁激振器，对冷却塔 弹性模型进行激励，用加速度传感器逐点测量l 1 2 8 点的频率响 应函数( 1 2 9 1 4 4 点为固定点，故无需测量) 。共振试验时模型及 激励装置的安装状态见图2 3 。 图2 3 模型及激振器的安装状态 测定了冷却塔弹性模型的前五阶固有频率，对所需测试状态， 用正弦扫描法测试冷却塔弹性模型在试验状态下的频率响应函数 曲线，频率响应函数曲线前五个峰值所对应的频率，即为各阶固 有频率值。 冷却塔弹性模型高程为1 0 0 毫米处( 原型为2 0 米) 7 5 0 毫 米处( 原型为15 0 米) 的测量点频率响应曲线见图2 4 2 1 1 图。 9 堕! ! 三些查兰堡主兰些堡奎 篓三至堡塑堕塑堡塞塑垩塑墅壹堡型塑堕 图2 4 测量点1 的频率响应函数曲线 图2 5 测量点1 7 的频率响应函数曲线 一 0 0 0 i r r e ql h z l 图2 6 测量点3 3 的频率响应函数曲线 4 0 f 1 0 0 1 0 西北工业大学硕士学位沦文第二章冷却塔的固有频率和固有振型测试 0 0 0 f f e ql h z l 4 0 0 0 0 图2 7 测量点4 9 的频率响应函数曲线 0 0 0 f r e q f h 2 】 图2 8 测量点6 5 的频率响应函数曲线 4 0 0 0 0 图2 9 测量点8 l 的频率响应函数曲线 西北r 业夫学硕士学位i 仑文铘二章玲却塔的固有频率和同有振掣潮试 图2 1 0 测量点9 7 的频率响应函数曲线 图2 i l 测量点11 3 的频率响应函数曲线 2 5 固有振型拟合 测得各点频率响应函数曲线后，使用s m s 公司的s t a r s y s t e m 软件，采用多项式拟合方法，对固有振型进行识别。识别出的前 五阶固有振型值及模态阻尼因子分别列于表2 1 表2 1 固有频率及模态阻尼因子 m o d e f m q 【hz jd a m p ( h z 】d a m p 1 1 7 7 0 213 217 1 29 14 014 716 1 31 1 05 6 12 611 4 41 1 65 4 17 515 0 51 2 47 18 3 94 8 e 3 6 7 3 1 5 e3 婀北工业大学硕士学位论文第二章冷却塔的固有频率和田有振型铡试 根据识别出的固有振型值，可以画_ l ；对应的振型图，相应的各阶 振型图见 图2 1 2 一图2 1 6 。 # 1 1 7 70 2h z z 。上。 图2 1 2 一阶固有振型( f 1 = 7 7 0 2 h z ) # 2 9 14 0 h z z 图2 1 3 二阶固有振型( f 2 = 9 1 4 0 h z ) y 1 3 上 堕! ! ! ：些墨兰壁：! 兰堕笙兰 塑三垦堡型堑塑塑塑塑兰塑堂! ! 堡型型堕 图2 1 4 图2 1 5 # 3 1 05 6f i z 图2 1 6 五阶固有振型( t 5 = 1 2 4 7 1 h z ) y y 1 4 两北工业大学硕士学位论文第二章冷却堡的固有题皇塑垦查堡型型试 2 6 冷却塔弹性模型风振系数测试结果 2 6 1 模型在风洞中的安装状态 为r 测试风振系数，将弹性模型与刚性模型并列安装在风洞中，如图 2 1 7 所示。 图2 1 7 模型在风洞中安装示意图( 左为弹性模型) 2 6 2 弹性模型对应点处风振系数测试结果 由振型测试结果可知，弹性模型上部振动幅值较大。为了测 量弹性模型所受风荷载，1 6 只动态压力传感器布置在弹性模型的 两个高程，其中在弹性模型高程为5 0 0 毫米处( 对应原型1 0 0 米) 、 6 5 0 毫米处( 对应原型1 3 0 米) 分别沿环向均布8 个。试验时同时 记录刚性模型及弹性模型相同位置的风荷载。表2 2 为刚性模型对 应点处的风荷载值。表2 3 为弹性模型对应点处的风荷载值。 表2 2 刚性模型各点处的风荷载( k n m 2 ) o o 4 5 09 0 01 3 5 。1 8 0 02 2 5 02 7 0 03 1 5 0 5 0 00 9 5 30 4 2 4 一1 8 1 2 0 4 9 0 _ 0 4 1 3 0 4 8 81 6 4 10 6 3 3 6 5 00 9 9 50 2 5 01 4 2 8一o 6 0 0- 0 - 4 1 3一o 5 9 11 3 4 6一o 3 6 1 两北二【、世夫学砸t 学位论蔓 第二章玲却塔的【占l 宵频率椰盥有振型侧试 表2 3 弹性模型各点处的风荷载( k n m 2 ) 0 04 5 09 0 01 3 5 01 8 0 02 2 5 02 7 0 03 1 5 0 5 0 01 4 4 8o 8 0 02 4 2 8一o - 8 1 7 0 5 7 2 一o 9 3 l一2 0 4 4一1 2 1 5 6 5 01 5 1 6一o 5 0 52 2 4 81 1 5 0一0 6 2 2一1 1 1 6 2 1 6 9 0 7 2 7 于是可得弹性模型对应点处的风振系数，见表2 4 。 表2 4 弹性模型各点处的风振系数 限 0 0 4 5 09 0 01 3 5 0 1 8 0 02 2 5 02 7 0 03 1 5 0 5 0 0 1 5 21 8 9 1 3 41 6 71 3 81 9 l1 2 51 9 2 6 5 01 5 22 0 21 ，5 71 9 21 5 l1 8 9 1 6 l2 o l 高程为5 0 0 毫米时的风振系数纬向分布见图2 18 。 、入 v 纬向度数 图2 1 8 高程为5 0 0 毫米时的风振系数纬向分布图 高程为6 5 0 毫米时的风振系数纬向分布见图2 1 9 。 5 2 5 1 5 0 2 l 0 蔽嫌鞲匿 西北工业大学硕士学位论文 第二章冷却塔的商有频率和同有振型测试 2 5 2 蓬 鉴 ， 0 5 0 04 59 013 51 8 02 2 52 7 0 3 1 536 0 纬向度数 图2 1 9 高程为6 5 0 毫米时的风振系数纬向分布图 由表2 2 及图2 1 8 、图2 1 9 可知，弹性模型各测量点的风振 系数最小值为1 2 5 ，最大值为2 0 2 。 西北i 。业人学硕士学位论艾 第二章冷却塔的同有特忖分折 第三章冷却塔的固有特性分析 3 i 双曲冷却塔有限元模型的建立 3 1 1 问题描述 双曲冷却塔主要由钢筋混凝土双曲线旋转薄壳通风筒、“人” 字型支柱和基础组成。从体型上看塔体属于高耸结构，从工程处理 的角度，冷却塔筒壁可视为各向同性的线弹性均质壳体结构。通风 筒是冷却塔的主体结构，由于其具有的圆型截面和大型尺寸，使得 它对风载十分敏感，许多研究人员研究了大型双曲冷却塔在风载作 用下的力学行为。以往的研究表明，冷却塔的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力区的局部屈曲引起。 人”字型支柱是通风筒的离散支撑结构，主要承受塔的自重和风 载。基础承受支柱传递过来的全部载荷。 双曲冷却塔是一种旋转壳体结构。根据【中国 火力发电厂水 工设计技术规定 1 n d g j5 - 8 8 的条文推荐，双曲冷却塔内力分析 按旋转壳体有矩理论计算。这一分析方法也是国外发达国家普遍认 同和使用的方法。【美国】钢筋混凝土冷却塔薄壳一一实用方法与 注解( a c i 3 3 4 ) ， 英国】b s 4 4 8 5 冷却塔规范第四部分冷却塔结 构设计，【美国】富罗先锋公司自然通风双曲线冷却塔结构规范， 以及联邦德国的b t r 规程等都有条文指出：公认的弹性薄壳体弯 曲理论是冷却塔结构分析的最适当方法。 随着计算机技术和计算方法的不断发展，国内外目前在工程 结构的力学分析中，已经普遍采用有限元素法来代替“薄壳”理论 的人工计算。众多的研究结果也表明，应用有限元法分析冷却塔在 风载作用下的力学性能是可行和有效的。另外，应用三维有限元法 与旋转壳体解析解理论相比，有限元方法既保证了计算精度又提高 r 计算效率，可以综合考虑多种因素对冷却塔结构的影响一3 。因 此本研究采用三维有限元素方法，使用的有限元分析软件为国际著 名的商业c a e 软件m s c m a r c 。 西北韭犬学硬土学位沦文 第三章冷却塔的固有特性分折 3 1 2 离散模型的建立 a ) 计算模型几何形状按照设计图纸l ：1 建立冷却塔原型的三维 模型，如图3 1 所示为冷却塔几何模型。有限元分析的总体直角坐 标系的原点在( 0 ，0 ，0 ) ，即图中o 点的正下方，o 点的座标为 ( 0 ，0 ，9 7 8 2 ) 。对于这种旋转对称结构，通常习惯应用圆柱坐标 系，图中对本文中所要采用的圆柱座标系作了相应标示，0 = 0 。 的直线即位于o y 轴的负方向上。冷却塔的子午线( 经线) 、纬线 以及子午向、环向和法向的定义与文献”1 中一致。 b ) 筒壁用四边形薄壳单元离散，人字支柱处理为空间梁单元，每 个支柱顶端与塔筒底面的支点作为壳体单元的一个节点。由于薄壳 单元和空间梁单元在连接点上是完全协调的，因此无需考虑元素间 过渡的协调问题。m s c m a r c 元素库中薄壳单元的一个优点是可 以考虑线性变厚度壳体，因此在每一个节点上可输入相应的厚度参 数。 c ) 支柱和基础之间的连接按固支边界条件处理。 d ) 实际建立有限元模型时，在高度方向共分1 1 1 层，在周向按照 4 8 对人字形支撑，每一周分成9 6 个单元，每一个与筒体相连的人 字形支撑点相应处理为对应薄壳单元的一个节点，一根支撑柱离散 为一个梁元。最后形成的有限元模型共有1 0 6 5 6 个单元，1 0 7 0 4 个 节点，其中4 节点四边形薄壳单元1 0 5 6 0 个，2 节点梁单元9 6 个。 有限元离散模型如图3 2 所示。 西北工业大学硕士学位论文第三章冷却塔的固有特性分析 z 一 ，f 一 一一 卜f 二 ，j f 一7一u f 1 1 r 卿衙露。 、， 图3 1 双曲冷却塔几何模型 图3 2 有限元离散模型 x 西北工业大学碾士学位论文第三章冷却塔的固有特性分析 3 1 3 模型参数 对冷却塔进行的有限元分析，都是基于线弹性假定，不考虑结 构的塑性变形。计算参数如下表所示： 表3 1 模型参数 i 弹性模量e ( g p a ) 泊松比密度( 坩m 3 )支柱截面积( m 2 ) 惯性矩i n ( m 4 ) 。o 1 6 7 2 5 4 0 0 7 0 80 0 3 9 9 3 2 冷却塔的固有频率和固有振型的计算分析 对频率较密的工程结构再计算其动力响应时，必须考虑多个振型 的影响，对于悬臂型结构如烟囱塔、不考虑扭转影响的高层建筑等， 由于固有频率较疏，则在响应计算中第一振型起着决定性的作用。对 于双曲薄壳冷却塔结构，文献”1 中指出“第1 振型起主要作用，但第 1 振型各个环向谐波振型的频率接近，因而需考虑多个谐波的影响”。 冷却塔的最低固有频率常在2 - 5 谐波之间，在分析这类结构的动力响 应时，一般在工程分析中只需考虑第一振型2 及3 谐波的影响。 根据计算结果，本试验给出了第一振型环向谐波数n = 2 5 的各 阶固有频率值，如表3 2 所示。 表3 2 冷却塔原型固有频率计算结果 环向谐波数n 2345 固有频率f ( h z ) 1 0 5 0 7 9o 8 20 9 7 西北工业大学硕士学位论文第三章冷却塔的固有特性分析 图3 3 冷却塔原型固有频率随环向谐波数n 的变化 图3 4 一a 环向谐波数n = 3 时的振型图 西北工业大学硕士学位论文第三章冷却塔的固有特性分析 图3 a b 环向谐波数n - - - - 4 时的振型图 图3 4 一c 环向谐波数n = 5 时的振型图 西北工业大学硕士学位论文 第三章冷却塔的固有特性分析 图3 4 一d 环向谐波数n = 2 时的振型图 由图3 3 和图3 4 一a 可见，最低固有频率对应于第一振型环 向3 谐波，这一结果同弹性模型共振试验的结果一致。图3 4 ( a ) 图3 4 ( d ) 所列为各阶固有频率对应的振型云图( 放大后的效果) ， 亮黄色表示相对变形最大的地方，蓝色为相对变形较小的地方。 对于冷却塔结构，如果用柱座标系来描述，最主要的位移应 为径向位移，这一位移具有更明显的工程意义，由软件分析直接 得到的位移是相对于总体直角座标系的，将程序输出的结果进行 座标变换之后可以得到柱座标系下的结果，图3 5 、图3 6 中分别 给出了0 = 0 。和0 = 9 0 。经线位置上的径向位移振型。 2 4 陌北 业大学硕士学位沦文第三章冷却塔的圊有特性分析 p - - j i、 w 固有频率o 7 9 h z v 却a 自垤自口型 一- - 一m i ， 一尹 t 蚰 固有频率o 9 7 h z e o 靠l t , l 母蝗挺向俺器摄型 曼 。 环向谐皓 。 固有频率0 8 2 h z 8 ：o 方向母线径向位移振型 一t 持一 一 t t o 一 7 - 7 6 - 1 j l 3 0 ， 环向谐渡n = 2 固有频率1 , 0 5 h z 图3 50 = 0 。位置经线上的径向位移振型 西北工业大学硕上学位论文 第三章冷却塔的固有特性分析 ： f ， 一7 固有频率o 7 9 h z 日= 9 0 。方向母线径向位移振型 。” 1 0 7 菇 r 。 环向谐坡n = 5 固有频率o 9 7 h z ”o 、一_ x 固有频率0 8 2 h z e = 9 0 。方向母线径向位移振型 。 。 m 、 r r 向靖城n = 2 固有频率1 0 5 h z 图3 6 0 = 9 0 。位置经线上的径向位移振型 西北工业大学硕士= 学位沦史第四章冷却塔在试验风载作用下的应力分析 第四章冷却塔在试验风载作用下的应力分析 4 1 载荷情况 冷却塔正常工作情况下主要载荷有：自重、风荷载、温度应 力。温度应力不属本文研究的内容，在此不作考虑。在应力计算 中，对自重和风荷载的处理如下： a ) 自重； 通过给定材料密度和重力加速度，按照体力施加。 b ) 风载；由于支柱迎风面积远远小于冷却塔筒体的迎风面积， 作用于其上的风载可以忽略，筒体的风载处理为表面分布力，分 布的风载数据来源于冷却塔模型风洞试验，并按模型比例尺进行 换算得到。由风载计算公式得： q ( z ，6 ) = c 。( 6 ) k ( z ) q o( 4 一1 ) 上式中 q ( z ，6 )作用在塔筒表面的风载 口风振系数 c 。( 6 )平均风压分布系数 置( z )风压高度变化系数 吼 基本风压 基本风压按1 0 m 高程4 0 m s 风速考虑，基本风压q o = 0 9 5 2 3 k n m 2 ，平均风压分布系数c 。( 6 ) 和风压高度变化系数嚣( z ) 采用 相应的剐性模型风洞试验得到的数据，对应的分布曲线如图4 1 、 图4 2 所示。风振系数3 ，根据相应风洞试验结果取为2 0 。 i b l o 5 7 _ _ 。_ ，。二一j 0 0 _ ，二厂_ _ o f 一0 5 一1 i 一1 5 1 1 2 0 ( 度) 图4 1 平均风压分布系数c 。( 6 ) 2 7 西北工业大学硕士学位论文 第四章冷却塔在试验风载作用下的应力分析 图4 2 风压高度变化系数k ( z ) 4 2变形分析 按照上面所述的载荷工况，用m s c m a r c 软件对冷却塔进 行有限元分析，施加体力( 自重) 和法向面载荷( 风载) 后，计 算所得到的总体的变形云图如图4 3 一a ( 变形放大) 所示。 图4 3 a 风载+ 自重作用下的总体变形云图 西北工业大学硕士学位论文 第四章冷却塔在试验风载作用下的应力分析 图4 3 b 风载+ 自重作用下的总体变形云图( 俯视图) 风荷载关于o y 轴呈对称分布，0 = o 。的地方压力最大，从 0 4 0 0 的地方开始，风载对筒壁的作用由压力逐渐变成吸力， 在0 7 5 。的地方吸力达到最大。在这种对称载荷的作用下，冷 却塔筒体的变形也关于o y 轴对称，因此我们只需分析对称的一 半结构的变形即可，下面给出的计算结果都是在0 。一1 8 0 。的经 度范围内。 图4 4 1 4 4 1 3 分另0 给出0 = 0 0 、1 5 。、3 0 。、4 5 。、 6 0 。、7 5o 、9 0 。、1 0 5 。、1 2 0 。、1 3 5o 、1 5 0 。、1 6 5o 、1 8 0 o 子午线( 经线) 上不同高度点的径向位移分布曲线，表3 为相 应的径向位移数据。图4 5 1 一图4 5 4 分别给出了筒体在2 0 m 、 7 0 m 、1 l o m 、1 5 0 m 高度层筒体圆环的变形玫瑰图( 为方便观察， 变形放大了1 0 0 倍) 。 综合分析上述计算结果，可见： ( 1 ) 从经度方向来看变形较大的区域在0 。和7 5o 经线的地 方，如图4 3 b 中亮黄色对应的区域。 ( 2 ) 从纬度方向来看，变形最大的区域在筒体喉部区域附近。 如图4 4 1 ，4 4 2 ，4 4 5 ，4 4 6 ，4 4 7 等所示。 ( 3 ) 最大的受压径向位移为9 2 8 m m ；最大的受拉径向位移为 8 7 ，o m m 。 ( 4 )冷却塔的z 向( 轴向) 位移很小，在1 0 m m 左右。 西北工业大学硕士学位沦文第四章冷却塔在试验风载作用下的应力分析 3 f 饕 一3 0 05 0o 径向位移( 咖) 图4 4 10 。经线上筒壁节点