英國(guó)BS、德國(guó)BTR及中國(guó)規(guī)范對(duì)核電冷卻塔載荷取值的探討

王成立，陳 朝，王金輝

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100094）

關(guān)于自然通風(fēng)冷卻塔的設(shè)計(jì)，最著名的有英國(guó)BS規(guī)范及德國(guó)BTR規(guī)范，這些規(guī)范都已經(jīng)過了多次修訂完善，對(duì)自然通風(fēng)冷卻塔的設(shè)計(jì)有非常明確的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及要求，其他國(guó)家關(guān)于自然通風(fēng)冷卻塔的設(shè)計(jì)規(guī)范大多參考這兩個(gè)規(guī)范。為此，本文對(duì)英國(guó)BS 4485(1996)、德國(guó)VGBBTR(1997)規(guī)范及中國(guó)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)載荷取值要求進(jìn)行比較分析，以對(duì)核電冷卻塔的設(shè)計(jì)給出參考。

1 英國(guó)BS 4485(1996)規(guī)范的載荷取值

英國(guó)BS 4485(1996)規(guī)范考慮的載荷有以下幾類：自重、風(fēng)載、溫度載荷、建造載荷、基礎(chǔ)不同支撐引起的載荷及殼體局部附加部件載荷6類。

溫度載荷需考慮太陽照射及運(yùn)行時(shí)的溫度變化，但沒有給出具體的溫差及溫差變化分布的形式，該規(guī)范指出了當(dāng)溫度變化不劇烈或支撐剛度不是非常大時(shí)溫度對(duì)極限載荷無明顯的影響[1]。

該規(guī)范的建造載荷包括以下幾個(gè)方面：（1）混凝土運(yùn)輸載荷；（2）腳手架和模板載荷；

（3）腳手架上的材料載荷；（4）臨時(shí)載荷；

（5）塔式起重機(jī)安裝載荷等。

該規(guī)范對(duì)基礎(chǔ)不同支撐引起的載荷及殼體局部附加部件的載荷也沒有具體要求，需根據(jù)不同的場(chǎng)地條件及設(shè)計(jì)要求單獨(dú)考慮。

風(fēng)載荷是最關(guān)鍵的載荷之一，英國(guó)BS規(guī)范考慮了設(shè)計(jì)平均風(fēng)速及設(shè)計(jì)陣風(fēng)風(fēng)速兩類，設(shè)計(jì)平均風(fēng)速為：

其中，Sm,z=Sc( 1 +Sn)用于鄉(xiāng)村地區(qū)；Sm,z=Sc Tc( 1 +Sn)用于城市地區(qū)；Sc、Tc、Sn是由BS 6399定義的參數(shù)。

設(shè)計(jì)陣風(fēng)風(fēng)速為：

Sc、Tc、Sh含義與上相同，St,H、Tt,H是與塔總高H相關(guān)的參數(shù)，由此可得任意高度的風(fēng)壓為：

其中，k= 0 .613，Vz可以是設(shè)計(jì)平均風(fēng)速或設(shè)計(jì)陣風(fēng)風(fēng)速。

冷卻塔周向的壓力分布為：

其中，0a=-0.000 71、1a=0.246 11、2a=0.622 96、3a=0.488 33、4a=0.107 56、5a=-0.095 79、6a=-0.011 42、7a=0.045 51。

壓力分布沿環(huán)向的變化見圖1。

由圖1可知，該風(fēng)壓分布曲線實(shí)際上是外壓減去內(nèi)壓得到（BS附錄D的說明），因此英國(guó)規(guī)范實(shí)際上隱含了內(nèi)壓沿高程是變化的，且沿高度方向的變化規(guī)律與外壓相同。

BS規(guī)范指出周邊場(chǎng)地結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻塔的壓力分布會(huì)產(chǎn)生很大影響。其影響通過將原計(jì)算得到的內(nèi)力結(jié)果按冷卻塔沿塔高分為上、中、下三段，每段乘以一定的修正系數(shù)得到，其修正系數(shù)見表1。

為進(jìn)一步考慮由于風(fēng)的隨機(jī)擾動(dòng)產(chǎn)生殼體的動(dòng)態(tài)共振響應(yīng)，BS規(guī)范還給出了估計(jì)殼體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)力估計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，即：

其中，V為風(fēng)速；

n為殼體最小固有頻率；

K為經(jīng)驗(yàn)因子（見BS附錄E）。

由此可計(jì)算相應(yīng)的放大因子以得到實(shí)際的設(shè)計(jì)內(nèi)力。由于英國(guó)很少地震，因此英國(guó)規(guī)范中沒有關(guān)于地震載荷的具體要求。

2 德國(guó)VGB-BTR規(guī)范的載荷取值

德國(guó)VGB-BTR(1997)規(guī)范的載荷考慮以下幾類：自重、風(fēng)載、溫度、安裝載荷、地基變形、地震及其他因素7類[2]。

溫度考慮正常工作時(shí)25 ℃的內(nèi)外溫差及極端情況下45 ℃的內(nèi)外溫差，還要考慮最大溫差為25℃時(shí)日照時(shí)半正弦波形的溫差，還考慮基礎(chǔ)部分變溫的影響。

圖1 風(fēng)壓分布沿環(huán)向變化Fig.1 Circumferential wind pressure distribution

表1 BS規(guī)范修正系數(shù)Table 1 Correction factors in BS code

安裝載荷主要是腳手架、吊索及其他施工過程中的額外載荷，但沒有具體計(jì)算要求。

地基變形考慮由于基礎(chǔ)的不均勻性及地下礦開采等帶來的影響，但沒有具體計(jì)算要求。

地震情形要保證在地震時(shí)能正常運(yùn)行，但沒有給出具體計(jì)算過程。

其他因素包括上升氣流、水池進(jìn)水壓力、安裝承力結(jié)構(gòu)等。

最主要的是風(fēng)載荷，風(fēng)載荷包括外壓aW及內(nèi)壓iW，外壓定義為：

其中，z為超出地基的高度；

q為作用點(diǎn)相對(duì)的角度；

Cpa為外部壓力的因子；

qb為風(fēng)壓隨高程分布；

f為動(dòng)力放大因子；

F1為環(huán)境影響因子。

內(nèi)部壓力可表示為：

其中，qb(zH)為zH高度處殼上端的風(fēng)壓隨高程分布；

Cpi為內(nèi)部壓力因子，取-0.5，且內(nèi)部壓力假設(shè)沿冷卻塔外壁高度和周長(zhǎng)恒定。

BTR規(guī)范根據(jù)不帶肋及帶肋時(shí)的粗糙參數(shù)（見表2）定義不同的外壓分布曲線，圖2為與表面粗糙度相關(guān)的外部壓力分布曲線；圖3為不同加肋及不加肋時(shí)的外壓曲線。

BTR規(guī)范的風(fēng)壓隨高程的分布qb分3個(gè)不同的風(fēng)區(qū)分別表示為圖4。

BTR規(guī)范的動(dòng)力放大因子f的定義見圖5，圖中minf表示最小冷卻塔固有頻率。

環(huán)境影響系數(shù)F1的取值與冷卻塔周邊環(huán)境條件有關(guān)，如果在冷卻塔周圍還有其他的冷卻塔或是較高的發(fā)電廠，氣流的干擾就會(huì)導(dǎo)致這一單獨(dú)冷卻塔靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上風(fēng)荷載的改變。這時(shí)對(duì)塔的壓力就應(yīng)該增加，增加的程度取決于臨近建筑的種類，以及和臨近建筑之間的距離。考慮環(huán)境因素時(shí)風(fēng)載荷應(yīng)乘以動(dòng)力放大因子，如情況可能，環(huán)基的承壓能力也應(yīng)有所增加。設(shè)計(jì)冷卻塔的支柱與環(huán)基時(shí)，也應(yīng)考慮動(dòng)力放大因子，但基礎(chǔ)的變形可不考慮動(dòng)力放大因子。

環(huán)境放大因子由冷卻塔與周邊建筑物等的距離及臨近建筑物的種類決定，并給出了具體選取方法。

圖2 與表面粗糙度相關(guān)的外部壓力分布曲線Fig.2 External pressure distribution curve related to surface roughness

表2 不帶肋及帶肋時(shí)粗糙參數(shù)定義不同時(shí)的外壓力分布Table 2 External pressure distribution under different roughness parameters for ribbed and unribbed scenarios

圖3 不同加肋與不加肋時(shí)壓力分布曲線Fig.3 Pressure distribution curves for ribbed and unribbed scenarios

圖4 不同風(fēng)區(qū)風(fēng)壓隨高程分布Fig.4 Wind pressure distribution in different wind zones

圖5 動(dòng)力放大因子Fig.5 Dynamic amplification factor

3 英國(guó)、德國(guó)及中國(guó)規(guī)范載荷取值差異分析

由英國(guó)、德國(guó)、中國(guó)三者規(guī)范載荷取值比較可知：

（1）自重三者取法相同。

（2）溫度三者均考慮，但英國(guó)BS規(guī)范沒有給出具體溫差分布，德國(guó)規(guī)范有詳細(xì)溫差分布，但整塔是均勻分布的，中國(guó)規(guī)范不僅給出詳細(xì)溫差分布，且塔內(nèi)分布不均勻，中國(guó)與德國(guó)規(guī)范均給出相似的日照溫度分布。

（3）英國(guó)規(guī)范的風(fēng)壓分布內(nèi)壓是隱含的，且隱含內(nèi)壓是沿高度分布規(guī)律與外壓相同，且不考慮加肋情形，中國(guó)規(guī)范有加肋及不加肋二種外壓分布[3]，而德國(guó)規(guī)范根據(jù)加肋高度及間距給出了多種外壓分布形式。英國(guó)規(guī)范考慮風(fēng)的動(dòng)力響應(yīng)對(duì)冷卻塔高度分3個(gè)分區(qū)計(jì)算放大因子很有特色。

（4）英國(guó)規(guī)范不考慮地震影響，德國(guó)規(guī)范對(duì)地震的要求也非常簡(jiǎn)略，中國(guó)規(guī)范對(duì)抗震要求嚴(yán)格得多，這是由于中國(guó)是地震多發(fā)區(qū)，而英國(guó)、德國(guó)不是。

（5）對(duì)于安裝載荷，英國(guó)、德國(guó)規(guī)范均有較多描述，但也不具體，需對(duì)不同塔分別考慮。英國(guó)、德國(guó)規(guī)范均提出需考慮基礎(chǔ)的不均勻變形，但對(duì)不同塔分別考慮。中國(guó)規(guī)范對(duì)其他載荷描述不多。

（6）除英國(guó)、德國(guó)、中國(guó)規(guī)范外，其他國(guó)家有自己的特殊要求。法國(guó)規(guī)范[4]的風(fēng)壓沿環(huán)向分布曲線為：

其中，傅里葉系數(shù)見表3。

相應(yīng)的變化曲線見圖6。

M.N.Viladkara等學(xué)者[5]中采用如下的風(fēng)壓沿環(huán)向變化曲線：

其中，系數(shù)ia分別為0.000 71、0.246 11、0.622 96、0.488 33、0.107 56、-0.095 79、-0.011 42、0.045 51。

相應(yīng)的變化曲線見圖7。

表3 法國(guó)規(guī)范風(fēng)壓的傅里葉系數(shù)Table 3 Fourier coefficient describing wind pressure according to French code

圖6 法國(guó)規(guī)范風(fēng)壓沿環(huán)向變化曲線Fig.6 Circumferential wind pressure curve according to French code

圖7 風(fēng)壓系數(shù)隨角度變化曲線Fig.7 Wind pressure coefficient variation curve

Noorzaeia等學(xué)者[6]利用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果采用如下非對(duì)稱的壓力分布曲線：

其中，非對(duì)稱風(fēng)壓系數(shù)見表4，相應(yīng)的變化曲線見圖8。

還有許多利用風(fēng)洞試驗(yàn)得到的不同壓力分布曲線，不再一一敘述。

4 結(jié)束語

三種規(guī)范均對(duì)冷卻塔設(shè)計(jì)中考慮的荷載做出了相關(guān)的規(guī)定，且荷載的種類基本相同，但荷載的具體取值和計(jì)算方法上略有不同，各自針對(duì)本國(guó)的情況做出了各自的規(guī)定。英國(guó)BS規(guī)范風(fēng)載荷是同時(shí)考慮外壓及內(nèi)壓的，且隱含內(nèi)壓沿著高程是變化的。變化規(guī)律與外壓相同，且僅考慮不加肋情形；德國(guó)規(guī)范對(duì)加肋及不加肋分多種情形（給出其詳細(xì)壓力分布，便于設(shè)計(jì)者使用）；中國(guó)規(guī)范有加肋及不加肋二種環(huán)向風(fēng)壓分布。

表4 非對(duì)稱風(fēng)壓系數(shù)Table 4 Unsymmetrical wind pressure coefficient

圖8 非對(duì)稱風(fēng)壓沿環(huán)向變化曲線Fig.8 Unsymmetrical circumferential wind pressure variation curve

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