超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

董勝憲

(華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200063)

超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

董勝憲

(華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200063)

雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔是電力建設(shè)中的一項(xiàng)重要工程，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，發(fā)電廠單機(jī)裝機(jī)容量的增大，“十二五”期間在內(nèi)陸要新建一批核電廠，電廠內(nèi)的冷卻塔已從過去的大中型冷卻塔轉(zhuǎn)為超大型冷卻塔。超大型冷卻塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作已提到我們議事日程上，因此應(yīng)該引起各方面的重視。

超大型冷卻塔；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 概述

雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔是電力建設(shè)中的一項(xiàng)重要工程，在1973年以前，我們國內(nèi)對雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔結(jié)構(gòu)分析大部分是基于旋轉(zhuǎn)殼的無矩理論，即薄膜理論。它是將殼體平衡方程中忽略彎距與剪力的簡化模型。因此在工程中大部分都采用手算或用手搖計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。

1973年～1975年，我院委托北京大學(xué)固體力學(xué)系編制了冷卻塔結(jié)構(gòu)靜力分析BSZ程序和冷卻塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析BSD程序。

兩個(gè)程序投入運(yùn)行以后，被移植到各種計(jì)算機(jī)上，80年代后又改編為Fortran語言，這幾年又經(jīng)過不斷地更新補(bǔ)充，我院用它們已成功地設(shè)計(jì)了上百座以上的冷卻塔。

2 冷卻塔結(jié)構(gòu)形式與大小分類

2.1 冷卻塔結(jié)構(gòu)形式

冷卻塔通風(fēng)筒采用雙曲線形現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為加強(qiáng)殼體頂部剛度，塔頂設(shè)有剛性環(huán)。冷卻塔通風(fēng)筒底部采用人字支柱與環(huán)板基礎(chǔ)或倒T型基礎(chǔ)聯(lián)結(jié)，冷卻塔人字支柱一般為園形或方形截面，預(yù)制或現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。環(huán)板基礎(chǔ)或倒T型基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

中、小型冷卻塔在天然地基較差的條件下，一般宜采用倒T型基礎(chǔ)。大、中型冷卻塔一般宜采用環(huán)板基礎(chǔ)。當(dāng)?shù)鼗鶠閹r石時(shí)，一般宜采用單獨(dú)基礎(chǔ)。

冷卻塔塔內(nèi)淋水構(gòu)架和主水槽一般全部采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中央豎井及構(gòu)架基礎(chǔ)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。水池底板采用分離式現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.2 冷卻塔大小分類

雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔按淋水面積一般大致可分為：

小于1000m2雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔屬于小型冷卻塔。1000m2～5000m2屬于中型冷卻塔。5000m2～10000m2屬于大型冷卻塔。大于10000m2雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔屬于超大型冷卻塔。

3 冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冷卻塔的通風(fēng)筒是一種典型的薄殼結(jié)構(gòu)。它的厚度最薄處與其直徑之比，如果將冷卻塔成比例地縮小到雞蛋直徑大小，則它比雞蛋殼還要薄。在風(fēng)荷載作用下冷卻塔頂部的位移可以達(dá)到幾十厘米，超過厚度的數(shù)倍。

1965年11月1日，英國渡橋電廠(裝機(jī)容量200MW)，配8座高為114m的冷卻塔，為雙排梅花形布置，在8級風(fēng)中倒掉了3座，造成了一起嚴(yán)重的倒塌事故。事故后，關(guān)于風(fēng)載作用下冷卻塔的空氣動(dòng)力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，曾經(jīng)引起過世界上的普遍注意。英國渡橋電廠冷卻塔倒塌事故，現(xiàn)在看來其原因是多方面的，主要有：①冷卻塔平面布置不合理；②塔型不是連續(xù)的雙曲線；③冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照無矩理論且單層配筋；④冷卻塔塔壁較薄塔頂未設(shè)剛性環(huán)。但大量研究成果表明，認(rèn)為大風(fēng)通過塔群內(nèi)的塔與塔之間時(shí)，(包括廠房)受其影響，風(fēng)的頻譜有較大的變化這是倒塌的主要原因之一。

冷卻塔通風(fēng)筒殼體母線形狀確定之后，關(guān)于殼壁厚度，一般為指數(shù)變厚殼、基本等厚殼和分段等厚殼，綜合我院以往設(shè)計(jì)的冷卻塔經(jīng)驗(yàn)，小型冷卻塔一般我們均按照指數(shù)變厚殼設(shè)計(jì)。中型冷卻塔我們均按照基本等厚殼厚殼設(shè)計(jì)。對于大型冷卻塔和超大型冷卻塔我們則按照分段等厚殼設(shè)計(jì)。

眾所周知，風(fēng)荷載是雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔的主要荷載之一，關(guān)于風(fēng)壓沿塔高的分布，我們過去在設(shè)計(jì)小塔時(shí)，大都是以塔頂最大風(fēng)壓作為全塔的設(shè)計(jì)風(fēng)壓，而實(shí)際上，風(fēng)壓沿塔高是變化的，也可以按照上下階梯形分布或上下連續(xù)變化來計(jì)算，國外按階梯形分布用得較多，我們對上述三種情況，在洛河電廠一期工程7000m2冷卻塔設(shè)計(jì)中，曾經(jīng)作過比較，階梯形分布子午向薄膜力T1比上下連續(xù)分布時(shí)小10%左右，緯向薄膜力T2比上下連續(xù)分布時(shí)小16%左右，因此我們現(xiàn)在設(shè)計(jì)的冷卻塔采用的風(fēng)壓沿塔高均按階梯形分布來計(jì)算。

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，發(fā)電廠單機(jī)裝機(jī)容量的增大， “十二五”期間在內(nèi)陸要新建一批核電廠，電廠內(nèi)的冷卻塔已從過去的大中型冷卻塔轉(zhuǎn)為超大型冷卻塔。我們在多個(gè)工程已設(shè)計(jì)了數(shù)個(gè)淋水面積超過10000m2的超大型冷卻塔。其中徐州彭城三期工程淋水面積12000m2冷卻塔已投產(chǎn)使用。在徐州發(fā)電有限公司2×1000MW機(jī)組(上大壓小)工程中，我院設(shè)計(jì)的目前我們國家最大的“煙塔合一”淋水面積12000m2自然通風(fēng)排煙冷卻塔也于2010年12月1日實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)封頂?，F(xiàn)在我們正在著手做湖南桃花江核電廠雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔淋水面積達(dá)到18000m2，塔高200m。

由于發(fā)電廠單機(jī)裝機(jī)容量的增大，核電廠用水量的增加。冷卻塔也愈宜向高大方向發(fā)展。由此產(chǎn)生的問題是：冷卻塔是否越高大越劃得來一般來說冷卻塔越高大，成本也就越高。我自己設(shè)計(jì)以及參與設(shè)計(jì)和校核的冷卻塔，曾經(jīng)做過比較，小型冷卻塔配筋通風(fēng)筒筒壁混凝土的含鋼量在100kg/m3以下，中型冷卻塔配筋通風(fēng)筒筒壁的混凝土含鋼量在100kg/m3～120kg/m3之間，大型冷卻塔配筋風(fēng)筒筒壁的混凝土含鋼量在150kg/m3左右。而目前超大型冷卻塔配筋風(fēng)筒筒壁的混凝土含鋼量在160kg/m3～170kg/m3之間。小型塔對地基承載力要求不是很高，一般天然地基也能滿足。中型塔和大型塔以及超大型塔就需要地基處理。而冷卻塔地基處理的費(fèi)用，過去一般占冷卻塔總造價(jià)的10% ～15% ，而現(xiàn)在有的20%都包不住。因此冷卻塔淋水面積到達(dá)某一大小之后，自然會(huì)產(chǎn)生建一個(gè)大塔不如建兩個(gè)小塔合算的問題，這就要做總體的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。由于我們的冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化還存在著一定的缺陷，因此，進(jìn)一步從省成本、安全、熱效率、結(jié)構(gòu)力學(xué)、水力學(xué)、流體力學(xué)等各個(gè)方面，冷卻塔整體優(yōu)化設(shè)計(jì)問題已提到我們的日程上來了。

《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5339-2006冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的冷卻塔高度目前限制在165m。無可置疑現(xiàn)行的《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5339-2006風(fēng)壓分布系數(shù)也是根據(jù)單塔來制訂的。而我們現(xiàn)在做的超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)早已突破了當(dāng)前規(guī)范的高度限制。

冷卻塔結(jié)構(gòu)的非線性問題。冷卻塔的厚度很小，無論從靜力還是從動(dòng)力分析的角度來看，非線性問題是迫切的。在風(fēng)荷載作用下冷卻塔頂部的位移可以達(dá)到幾十厘米，超過厚度的數(shù)倍。這在數(shù)量上早已超出了線性理論的適用范圍。線性問題要求位移比厚度小很多，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用線性問題近似，在塔小時(shí)相差不會(huì)很大，而對于大塔或者超大型冷卻塔，這種誤差會(huì)變得不可忽略。

為了考慮非線性效果，在塔變形時(shí)引起的風(fēng)壓變化也將成為不可忽略的因素。何況這個(gè)風(fēng)壓的變化可以與變形耦合產(chǎn)生積累，對于大塔或者超大型冷卻塔，這種因素是不能省略的。

冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在遇到塔群的情況下，是否要考慮群塔的影響現(xiàn)行的《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5339-2006沒有明確規(guī)定。我的意見還是應(yīng)該考慮塔群的影響。英國渡橋電廠冷卻塔倒塌事故的大量研究成果，認(rèn)為大風(fēng)通過塔群內(nèi)的塔與塔之間時(shí)，(包括廠房)受其影響，風(fēng)的頻譜有較大的變化這是倒塌的主要原因之一。我們在多個(gè)工程中委托有關(guān)大學(xué)做的《冷卻塔風(fēng)洞試驗(yàn)》和《冷卻塔塔群試驗(yàn)研究》報(bào)告的結(jié)論意見，也都充分說明了這一點(diǎn)。另外，現(xiàn)在設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)，碰到兩樓之間的凈距小于樓寬的2倍時(shí)，都要考慮群樓效應(yīng)，風(fēng)壓值經(jīng)風(fēng)洞試驗(yàn)測定后，兩樓之間的風(fēng)速將增大1.3～1.5倍，連體建筑也應(yīng)考慮。在《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》JGJ 3-91，第2.2.2條寫明“高層建筑的平面宜選用風(fēng)壓較小的形狀，并應(yīng)考慮鄰近高層建筑對其風(fēng)壓分布的影響”。

另外冷卻塔也愈宜向高大方向發(fā)展，而隨之帶來新的問題也就越復(fù)雜。小塔認(rèn)為不重要的問題，對于大塔和超大型塔就顯得非常尖銳。例如：施工初缺陷的影響、地基的不均勻沉降、地震反應(yīng)的時(shí)程分析、風(fēng)震問題、在冷卻塔施工時(shí)抽掉幾對人字柱對筒體的影響以及“煙塔合一”的冷卻塔在通風(fēng)筒壁上預(yù)留大孔洞的應(yīng)力分析問題等等。

4 結(jié)語

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，我國電力建設(shè)事業(yè)已取得了日新月異地變化。冷卻塔CAD軟件的研制與開發(fā)也取得了長足的進(jìn)步。自我院設(shè)計(jì)的平圩電廠后，我們國家從比利時(shí)哈蒙公司引進(jìn)了冷卻塔設(shè)計(jì)計(jì)算程序，并用其計(jì)算程序也設(shè)計(jì)了一些雙曲線型自然通風(fēng)冷卻塔。由于計(jì)算機(jī)環(huán)境的不斷改變，有的冷卻塔CAD軟件雖然也有配筋計(jì)算與繪圖功能，但功能不夠完善，使用不便。因此，在這方面，我們還有很多工作需要去做。

[1]武際可．大型冷卻塔結(jié)構(gòu)分析的回顧與展望[J].力學(xué)與實(shí)踐，1996，18(6)．

[2]董勝憲．吳涇電廠八期工程9000m2冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討[J]．電力建設(shè)，1999，(8).

[3]董勝憲．大型冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)[A]．上海市水利學(xué)會(huì)第十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集(2001～2002)[C]．2002．

[4]DL/T5339-2006，火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Structural Design and Research of Super Large Cooling Towers

DONG Sheng-xian
(East China Electric Power Design Institute, Shanghai 200063, China)

Hyperbola natural ventilation cooling tower is one of the important projects in the electric power construction.With the rapid development of our national economy and the increase of single installed capacity in power plants, a lot of nuclear power plants will be built in the inland during the 12th Five-Year Plan period. Cooling towers of the plant have turned from past large and medium ones to super large ones. Structural design and research of super large cooling towers which has been referred to our agenda should arouse the attention of all aspects.

super large cooling towers; structural design and research.

TM621

B

1671-9913(2011)02-0044-03

2011-01-26

董勝憲(1954- )，男，山東海陽人，高級工程師。