電廠超大型排煙冷卻塔風(fēng)洞試驗(yàn)與穩(wěn)定性分析

柯世堂，趙 林，張軍鋒，葛耀君

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，200092上海，keshitang@163.com)

大型冷卻塔屬于薄壁高聳結(jié)構(gòu)，模態(tài)耦合性強(qiáng)，三維空間特性決定其對風(fēng)荷載作用極為敏感，其表面風(fēng)壓分布和塔間氣流干擾十分復(fù)雜［1-4］.在極值風(fēng)荷載作用下，由于群塔間的“夾道效應(yīng)”，群塔表面壓力分布曲線與單塔有較大的差別，尤其是脈動(dòng)壓力增加很大［5］，而冷卻塔表面壓力分布直接影響到塔筒和基礎(chǔ)的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果和配筋以及地基處理方案.冷卻塔在風(fēng)荷載作用下，由于風(fēng)的脈動(dòng)特性使得冷卻塔殼體產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)，如不采取有效的工程措施，這種振動(dòng)可能會(huì)造成倒塌等嚴(yán)重的工程事故.以往試驗(yàn)研究結(jié)果［6-7］表明，冷卻塔群塔之間的相互作用使得風(fēng)荷載與孤立單塔的風(fēng)荷載有較大的差別，毗鄰的高大建筑物(構(gòu)筑物)對冷卻塔的影響在某些條件下也是不可忽視的，而現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范［8-9］中的規(guī)定難以滿足設(shè)計(jì)要求.如何正確選用風(fēng)荷載，對冷卻塔結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)至關(guān)重要.

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，處于環(huán)?？紤]開孔排煙冷卻塔慢慢已成為未來電力部門的發(fā)展方向，但相關(guān)的研究明顯不足［10］.在施工期需經(jīng)歷混凝土強(qiáng)度及彈性模量逐步增長的過程.在此期間風(fēng)筒的強(qiáng)度及局部穩(wěn)定是否滿足安全要求，與施工進(jìn)度有何關(guān)系，整個(gè)施工和運(yùn)營狀態(tài)冷卻塔的極限承載力及穩(wěn)定性能又有何特點(diǎn)，隨著冷卻塔規(guī)模的加大，對這些問題的研究變得越來越重要.本文即針對開孔產(chǎn)生的穩(wěn)定性和極限承載力問題，以國內(nèi)最高、最大排煙冷卻塔剛體測壓和氣彈測振模型風(fēng)洞試驗(yàn)為背景，探討大型排煙冷卻塔結(jié)構(gòu)在周邊建筑和群塔干擾下的最不利風(fēng)壓分布、多塔比例系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)，采用有限元軟件與自行編制的前后處理程序研究了冷卻塔的局部穩(wěn)定性，并針對開孔產(chǎn)生的影響采取了有效的加固方案，隨后計(jì)算了冷卻塔在風(fēng)載、自重作用下的整體線性穩(wěn)定性和施工狀態(tài)極限承載力.

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)介紹

排煙冷卻塔剛體測壓和氣彈測振模型風(fēng)洞試驗(yàn)均在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室TJ-3大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行.關(guān)于模型的加工、試驗(yàn)的具體方案和過程，在文獻(xiàn)［5-6，11-12］中都有詳細(xì)的說明，這里僅給出試驗(yàn)的主要結(jié)果.

1.2 剛體測壓試驗(yàn)結(jié)果

采用電子壓力掃描閥測量剛性冷卻塔通風(fēng)筒表面平均及脈動(dòng)壓力分布，在風(fēng)偏角360°范圍內(nèi)以22.5°增量逐一測量.按冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)劃位置要求，在模擬自然風(fēng)場和均勻流場中進(jìn)行一期和二期冷卻塔18種不同組合時(shí)通風(fēng)筒表面平均壓力和脈動(dòng)壓力分析研究.試驗(yàn)中考慮通風(fēng)筒表面粗糙度、雷諾數(shù)效應(yīng)及周邊建筑物的影響.

表1給出了多塔組合最不利來流工況下整體阻力系數(shù)均值、極值和多塔比例系數(shù)數(shù)值.雙開孔下多塔比例系數(shù)極值出現(xiàn)在Ⅰ期雙塔+Ⅱ期雙塔組合之4#塔(詳見圖1).可以看出最大阻力系數(shù)均值0.536出現(xiàn)在247.5°來流角度處，與單塔等效荷載系數(shù)最大比值KD=1.333出現(xiàn)在247.5°來流角度，單開孔最大等效比例系數(shù)Km為1.302，雙開孔最大等效比例系數(shù)Km為1.327，這些數(shù)據(jù)作為數(shù)值分析的參數(shù)輸入.

圖1 冷卻塔雙開孔阻力系數(shù)與比例系數(shù)

表1 冷卻塔測壓試驗(yàn)多塔組合最不利來流工況

1.3 氣彈測振試驗(yàn)結(jié)果

將測振試驗(yàn)結(jié)果與對應(yīng)來流角度測壓所得的多塔比例系數(shù)進(jìn)行組合分析，B類流場規(guī)范規(guī)定風(fēng)振系數(shù)取值為1.90，單塔最大多塔比例系數(shù)值為1.308，將測振所得工況結(jié)果與規(guī)范值進(jìn)行比較詳見表2.可以看出最大組合值為(Ⅰ期雙塔+Ⅱ期雙塔)112.5度來流之3#塔B類流場，其值為2.426，小于按規(guī)范值和最大多塔比例系數(shù)組合結(jié)果.表3給出了工況3下的測點(diǎn)位移響應(yīng)特征值，比較可知主要的風(fēng)振位移全部出現(xiàn)在冷卻塔的上半部分，又以冷卻塔喉部附近測點(diǎn)風(fēng)振位移響應(yīng)起控制作用.沿冷卻塔圓周向多個(gè)測點(diǎn)中，迎風(fēng)向測點(diǎn)風(fēng)振位移最大，分離點(diǎn)附近(與來流135°夾角)測點(diǎn)風(fēng)振位移次之.多個(gè)控制測點(diǎn)平均位移響應(yīng)均值為14.64 cm，位移根方差均值為3.90 cm，極值位移均值為30.25 cm，平均風(fēng)振系數(shù)為2.08.各試驗(yàn)工況均未出現(xiàn)渦振及局部靜風(fēng)穩(wěn)定性問題.

表2 測壓、測振結(jié)果組合對比分析

表3 (Ⅰ期雙塔+Ⅱ期3#塔)中2#塔最不利工況控制測點(diǎn)響應(yīng)特征值(試驗(yàn)風(fēng)速6 m/s)

2 穩(wěn)定性分析

2.1 局部穩(wěn)定性分析

由于冷卻塔是一種很薄的殼體結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)必須考慮的因素，按文獻(xiàn)［8］，冷卻塔的局部穩(wěn)定性按下式驗(yàn)算:

式中:σcr1為環(huán)向臨界壓力;σcr2為子午向臨界壓力;σ1、σ2分別為不同荷載工況組合下的環(huán)向和子午向壓應(yīng)力;h、r0分別為塔筒喉部壁厚與半徑; E、v分別為殼體混凝土的彈性模量和泊松比;K1、K2根據(jù)塔筒幾何參數(shù)，可插值得到，該工程取K1=0.150 25，K2=1.279 69;KB為局部穩(wěn)定性安全因子，規(guī)范要求KB需大于5.0.

在自重和風(fēng)載的共同作用下，對于常規(guī)冷卻塔進(jìn)行分析得出最小的局部穩(wěn)定性安全因子KB=7.96，發(fā)生在塔筒的喉部區(qū)域，而對于開孔邊緣的局部穩(wěn)定性分析，不同的來流風(fēng)載工況組合下的值是不同的，從圖2中可以發(fā)現(xiàn)60°來流時(shí)為最不利吹風(fēng)工況角，此時(shí)局部穩(wěn)定性安全因子KB=4.27，低于規(guī)范規(guī)定的最小值5.0.所以必須采取加固方案.

圖2 不同來流風(fēng)載組合工況下的孔洞周邊KB，min值

采取的加固方案為對邊長約24 m×24 m的正方形區(qū)域行進(jìn)加厚(見圖3)，加固區(qū)域是由孔洞邊緣應(yīng)力變化的影響范圍確定，殼體厚度從原來的0.28 m增加到0.50 m;加固后在最不利來流工況下的孔洞周邊的最小局部穩(wěn)定性安全因子KB值為35.21，滿足規(guī)范要求.施工與運(yùn)營狀態(tài)的穩(wěn)定性分析都是基于這種加固方案上的.

2.2 施工狀態(tài)承載力驗(yàn)算

冷卻塔在施工過程中由于其混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間逐步增長，新澆筑的混凝土強(qiáng)度較弱，因此施工過程中風(fēng)載及施工荷載作用下的冷卻塔極限承載力需要進(jìn)行研究，以控制施工進(jìn)度.表4為不同施工高程在自重作用下的臨界荷載;圖4為不同施工高程在自重作用下的屈曲模態(tài);表5為不同施工高程在自重及按風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)載作用下的臨界風(fēng)載(考慮內(nèi)吸力);圖5為不同施工高程在自重及按風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)載作用下的屈曲模態(tài)(考慮內(nèi)吸力);屈曲荷載組合為G+λW.可以看出，隨著施工高度的上升，臨界風(fēng)速逐漸降低，當(dāng)施工模板層數(shù)達(dá)到100時(shí)，其臨界風(fēng)速為119.41 m/s，遠(yuǎn)大于當(dāng)?shù)?0 a一遇年最大風(fēng)速(24 m/s).

2.3 整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范，冷卻塔整體臨界風(fēng)壓可由下式估計(jì):

由式(3)計(jì)算得到臨界風(fēng)速為139.48 m/s.

圖6給出了自重和靜風(fēng)(包括按規(guī)范風(fēng)壓和按風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)壓及有無內(nèi)吸力的情況)作用下冷卻塔屈曲模態(tài)，屈曲荷載組合G+λW，λ(G+ W)，其相應(yīng)工況下24 m高度臨界風(fēng)壓及風(fēng)速見表6.

圖3 開孔加固方案

表4 不同施工高程在自重作用下的臨界荷載

表5 不同施工高程在自重及按風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)載作用下的臨界風(fēng)載

圖4 不同施工高程在自重作用下的屈曲模態(tài)

圖5 不同施工高程在自重及按風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)載作用下的屈曲模態(tài)(考慮內(nèi)吸力)

表6 各工況冷卻塔屈曲系數(shù)及臨界風(fēng)速

圖6 各工況下冷卻塔整體屈曲模態(tài)

由表6可知，由于有內(nèi)吸力的存在，冷卻塔的臨界風(fēng)速均有30%左右的下降，與前面計(jì)算的冷卻塔整體極限承載能力計(jì)算情況相差不大.

3 結(jié)論

1)通過冷卻塔群的剛體測壓和氣彈測振模型風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值分析表明，冷卻塔群最不利組合工況出現(xiàn)在(Ⅰ期雙塔+Ⅱ期雙塔)組合之3#塔的112.5°來流角度，對應(yīng)的多塔比例系數(shù)為1.277，風(fēng)振系數(shù)為1.90.

2)局部穩(wěn)定性分析表明，60°來流下冷卻塔局部穩(wěn)定性安全因子達(dá)到最小值4.27，不滿足工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，有必要采取有效的加固措施.

3)施工狀態(tài)承載力驗(yàn)算表明，隨著施工高度的上升，臨界風(fēng)速逐漸降低，當(dāng)施工模板層數(shù)達(dá)到100時(shí)，其臨界風(fēng)速為119.41 m/s，遠(yuǎn)大于當(dāng)?shù)?0 a一遇年最大風(fēng)速(24 m/s);

4)整體穩(wěn)定性分析表明，最不利失穩(wěn)臨界風(fēng)速為按規(guī)范風(fēng)壓加載時(shí)整體屈曲失穩(wěn)風(fēng)速69.074 m/s，大于設(shè)計(jì)檢驗(yàn)風(fēng)速 (γG × 24.4 m/s≤49.0 m/s)，當(dāng)考慮內(nèi)吸力的影響使得失穩(wěn)臨界風(fēng)速有30%左右的下降幅度.通過對孔口附近局部加厚處理，可消除孔口附近的局部失穩(wěn)，并提高冷卻塔整體穩(wěn)定性.通過研究排煙冷卻塔局部穩(wěn)定性，提出相應(yīng)的加固方案，對施工狀態(tài)極限承載力和整體穩(wěn)定性的分析結(jié)果具有一定的參考價(jià)值，指出相應(yīng)的規(guī)范在這些方面有待商榷和補(bǔ)充規(guī)定，需要進(jìn)一步展開相關(guān)研究.

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