大型冷却塔风振系数计算公式及影响因素分析

大型冷却塔风振系数计算公式及影响因素分析

0风振系数的计算方法作为一个空间壁高的结构，大型塔架具有自振频率低、振动器密集的特点。这是典型的风敏感结构。风致振动对于结构的不利效应采用风振系数来等效，其获取的方法主要有风洞试验、数值计算和实测等。部分学者忽略风荷载与结构之间的自激力效应，采用刚体测压模型和有限元数值计算的方法对于冷却塔的风振特性进行了定性分析常用的气弹试验有Der和Filder目前用于冷却塔结构设计的风振系数计算方法主要有基于气弹模型风洞试验建议值。风振系数合理取值对于保障结构安全有重要的意义。基于国内完成的系列大型冷却塔风洞气动弹性试验结果，对中国规范和欧洲规范规定的风振系数取值进行评价，推荐了一种风振系数计算方法。1更高趋势发展随着电力建设的推进，我国现已建成数座超中国规范190m高限值的大型冷区塔，并有向更高趋势发展。图2统计了我国具有代表性的几座大型冷却塔，并给出详细结构特征尺寸（表1），包括塔筒高度Z以风洞气弹试验为主，对于中国规范GB/T50102—2014和欧洲规范VGB-R610e:2010（以下分别简称中国规范2体表面位置自然风的脉动性对结构是一种典型的动力作用，且幅值随体表面位置变化。为了保证结构设计的安全和设计过程的简捷，各国规范对冷却塔结构风的随机动力作用均采用包络等效风荷载，即风荷载标准值w(zue0a8θ)和w2.1离地高度z中国规范和欧洲规范风荷载公式依次如式（1）、式（2）所示（此处只比较外压）：式中：z为离地高度；μ关于中国规范环向平均风压C比较式（1）、式（2）和式（3）可知：采用与中国规范风振系数β等量的等效风振系数β2.2塔筒下1/3最大拉应力风荷载标准值的计算必须考虑阵风效应和结构共振效应。中国规范以风振系数β进行荷载放大，对于A、B和C类场地分别取1.6、1.9和2.3；欧洲规范采用塔筒下部1/3高度范围内壳体的最大拉应力作为整个塔筒动力放大因子。其中，中国规范的A类场地与欧洲规范的Ⅰ类场地对应，B类场地与Ⅱ类场地对应。式（4）将两国风振效应评价方式联系在一起，为确定等效风振系数β2.2.1矩阵系数r阵风系数φ故有：式中，v2.2.2大型装置：风压q欧洲规范认为动力放大因子φ与阵风风压和基频相关，其中阵风风压q故有：式中，H为塔高；v动力放大因子φ表征的是脉动风引起的冷却塔结构共振效应。通过以上推导，把确定等效风振系数β3风振系数取值对结构效应的影响为了推荐合适的大型冷却塔设计的风振系数取值，以特定高度冷却塔为例，分析气弹试验、中国规范和欧洲规范风振系数取值的差异，并分析了风振系数取值对于结构效应影响的差异。塔高增加会改变结构动力特性进而影响结构风振性能，选择三个高度有代表性的冷却塔分析其风振系数取值。3.1风振系数值对重力的影响3.1.1风振系数的比较对215m高冷却塔的风洞测振试验3.1.2风振系数和灵敏度对表4中风洞试验和欧洲规范风振系数取值对结构效应的影响进行讨论。图3和图4依次给出了壳体0°和72°子午线内力的计算结果，主要结论有：(1）风振系数取值的差异在结构响应层面表现明显，采用欧洲规范风振系数计算结果较风洞试验风振系数结果更大，其中环向弯矩和子午向轴力增幅最大，部分高度壳体达到30%的增幅，子午向弯矩和环向轴力敏感度较低，没有明显的变化。(2）塔筒壳体上部内力略大于风洞试验风振系数计算所得，但在壳体中下部有较大增幅，这是因为越到壳体下部，欧洲等效风振系数超过风洞试验风振系数越多所致，故将其用于中国冷却塔结构设计具有一定的安全余度考虑。(3)72°位置壳体结构响应较0°位置更加敏感，增加幅度较大，表明采用风振系数对于平均荷载直接放大的等效荷载方式，对于塔筒72°方向壳体比0°方向壳体更加不利。3.2欧洲规范结构风振理论以特定200m、215m和250m高冷却塔气弹测振试验（图5）和欧洲规范风振系数以及中国规范建议1.9进行对比，表5为根据式（6）、式（10）计算的等效风振系数相关参数，图6为风振系数取值对比，可以得出：(1）试验风振系数随塔高的分布规律与欧洲规范计算理论在喉部位置以上出现较大差异，与结构风致共振效应和塔顶位置复杂的流场有关，欧洲规范采用单一动力放大因子（采用连续介质气弹试验获得，不考虑共振效应）乘阵风系数剖面的方式与试验结构风振效应随塔高分布规律并不一致。(2）对于200m塔高，总体而言，欧洲规范均值与风洞试验结果较为接近，风洞试验获得的风振系数随塔高有较大的波动性，均明显底于中国规范结果；随着塔高由200m过渡到250m，欧洲规范均值逐渐趋近于中国规范结果，风洞试验结果均值变化不明显，少许随测量位置和塔高的风振系数波动源于冷却塔具体结构尺寸和外形的个体化的差异等影响。总体而言，风洞试验结果均小于中国和欧洲规范建议值，一定程度源于规范取值需兼顾结构安全的余量储备，具有偏安全的取值特点；规范建议风振系数取值随着塔高变化规律与试验结果不一致，不符合实际风振效应。3.3塔高和塔压风振系数冷却塔喉部位置是结构设计的关键部位，对于塔筒喉部位置风振系数β气动参数：图7为表1中冷却塔喉部风振系数β对表1中的不同高度塔的风振系数沿着塔筒高度的分布值，与喉部位置风振系数作比，得到归一化结果，如图8所示，其中Z由于塔高0.4以下部分试验风振效应不明显，对表6中所有塔高Z以侯宪安和柯世堂4风振系数与塔筒生长模型的关系通过对气弹试验、中国规范GB/T和欧洲规范VGB-R的风振系数取值对比，基于风振位移，提出适合冷却塔抗风设计的风振系数计算方法，主要结论有：(1）两国规范风荷载关键参数风振系数取值方式不同，中国规范采用不同场地类别的固定值，类似于欧洲规范中的阵风系数和动力放大因子的乘积，推导了中国风场环境中的阵风系数和动力放大因子计算公式。(2）两国规范风振系数取值与气弹试验结果均有偏差，对于试验风振系数取值关于气动参数和线形参数的关系进行分析。塔筒喉部风振系数随着基频降低和线型参数增大而增大。塔筒子午向一维风振系数随着塔高增加，在喉部位置取值最小。(3）建议以喉部位置壳体风振系数与归一化的风振系数分布曲线的乘积作为大型冷却塔结构风