超大型雙曲線冷卻塔振動臺試驗研究

宋　飛　管仲國　李建中

(同濟大學(xué)橋梁工程系, 上海 200092)

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超大型雙曲線冷卻塔振動臺試驗研究

宋飛*管仲國李建中

(同濟大學(xué)橋梁工程系, 上海 200092)

摘要為了研究超大型雙曲線冷卻塔的抗震性能,以1/35縮尺加工微?；炷寥囼?zāi)Ｐ?進行振動臺試驗研究,介紹了模型在不同地震動作用下的位移反應(yīng)以及斜支柱等的破壞情況?；赟AP2000進行了試驗?zāi)Ｐ偷膹椝苄詳?shù)值分析,并結(jié)合試驗結(jié)果對冷卻塔結(jié)構(gòu)在地震作用下的致災(zāi)機理進行了研究。結(jié)果表明:雙曲線冷卻塔模型地震作用下殼體部分呈現(xiàn)整體運動的特征,一字斜支柱柱底是結(jié)構(gòu)的首要薄弱部位,地震波頻譜特性對其地震響應(yīng)影響較大,應(yīng)盡量避免在軟弱場地下建造大型冷卻塔。

關(guān)鍵詞冷卻塔, 振動臺試驗, 抗震性能

Shaking Table Model Test for a Super-large Hyperbolic Cooling Tower

SONG Fei*GUAN ZhongguoLI Jianzhong

(Department of Bridge Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

AbstractIn order to study the seismic performance of a super-large cooling tower, a 1/35 scale micro-concrete model was tested on the shaking table, the displacement responses and the failure in diagonal supporting columns of the model under different earthquakes were introduced. An elastoplastic numerical analysis for test model was made by SAP2000. To study the damage mechanism of cooling tower under earthquake actions, a research combining the numerical analysis and test results was made. The results showed that the shell of the super-large hyperbolic cooling tower model presents characteristics of overall movement under earthquake actions, and the column base was a weak part. The dynamic response of hyperbolic cooling tower got great influence from spectrum characteristics of seismic waves, so it should avoid to be built on soft sites.

Keywordscooling tower, shaking table test, seismic performance

1引言

近年來,隨著我國電力事業(yè)的快速發(fā)展,作為電廠配套設(shè)施的冷卻塔被大量建造,且裝機容量不斷增大,尺寸規(guī)模也越來越大,許多在建或待建的冷卻塔已經(jīng)突破了現(xiàn)行規(guī)范中對塔高的限制[1],具有更高塔高和更大淋水面積的超大型冷卻塔愈來愈成為冷卻塔的未來建設(shè)需要。然而,在極端狀況下,例如地震作用,超大型冷卻塔一旦發(fā)生破壞,將可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

目前對冷卻塔結(jié)構(gòu)的抗震性能研究多是通過數(shù)值分析進行的,試驗研究則很少[2-4]。其中,模擬地震振動臺試驗通過向振動臺輸入地震波,激勵起振動臺上結(jié)構(gòu)的反應(yīng),從而很好地再現(xiàn)地震過程,是實驗室研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機理最直接的方法,也是研究和評價結(jié)構(gòu)抗震性能的重要手段。本研究通過對應(yīng)用最廣泛的雙曲線冷卻塔進行地震模擬振動臺試驗,分析其抗震薄弱環(huán)節(jié)。

2工程概況

本文的研究對象為國內(nèi)某超大型雙曲線冷卻塔,塔高213 m,塔頂直徑103 m,喉部直徑99 m,殼底進風(fēng)口直徑154.7 m,最小壁厚0.27 m,支撐結(jié)構(gòu)采用46根漸變楔形一字斜支柱,環(huán)板基礎(chǔ)。塔殼材料為C50混凝土,塔柱材料為C60混凝土,環(huán)基材料為C45混凝土,鋼筋材料為HRB400。

3模型設(shè)計與制作

3.1　相似關(guān)系和材料性能

綜合考慮結(jié)構(gòu)特點和試驗室條件及振動臺性能,確定模型的幾何相似比為1/35。模型結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。根據(jù)相似關(guān)系的要求,模型材料一般應(yīng)具有盡可能低的彈性模量和盡可能大的密度,同時,在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方面應(yīng)盡可能與原型材料相似?；谏鲜隹紤],冷卻塔試驗?zāi)Ｐ陀晌⒘；炷?、鍍鋅鐵絲和鐵絲網(wǎng)制作,分別模擬原型結(jié)構(gòu)中的混凝土、縱筋和箍筋。試驗所采用的相似關(guān)系如表1所示。

表1試驗?zāi)Ｐ偷南嗨脐P(guān)系

圖1　模型結(jié)構(gòu)尺寸示意圖(單位:mm)Fig.1　Structural dimension size of model(Unit:mm)

Table 1　Similitude relationship between modelstructure and prototype structure

微?；炷猎噳K與模型同步制作,密度為2.06~2.13×103kg/m3。各種材料性能如表2、表3所示。

表2微?；炷敛牧闲阅?/p>

Table 2　Material properties of micro-concrete

表3鍍鋅鐵絲材料性能

Table 3　Material properties of galvanized iron wire

3.2　模型制作

圖2　試驗?zāi)Ｐ虵ig.2　Test model

冷卻塔塔筒為薄壁結(jié)構(gòu),嚴格按照相似比制作,且計算分析表明塔殼壁厚的略微改變對結(jié)構(gòu)整體的動力特性和結(jié)構(gòu)薄弱部位(殼體底部和支柱)的受力影響很小,因此施工中塔殼中上部實際壁厚比設(shè)計略大。對模型塔殼和斜支柱中的配筋,按照正截面抗彎和斜截面抗剪等效原則進行設(shè)計和布置[5]。因模型自身質(zhì)量很小,為滿足質(zhì)量相似關(guān)系,試驗采用附加質(zhì)量塊的方法,質(zhì)量塊按照對稱原則均勻分布于塔殼內(nèi)外側(cè)。施工完成后的模型如圖2所示。

4加載方案和傳感器布置

為了全面了解超大型冷卻塔在地震作用下的反應(yīng),本研究選取了四類場地共8組地震波(分別記做E101、E102、E201、E202、E301、E302、E401、E402),進行加速度峰值分別為0.15 g、0.30 g、0.36 g、0.45 g的4個水準等級的地震模擬試驗,然后選取二類場地的一組地震波E201(即El Centro波)進行加速度峰值從0.54 g至1.2 g逐級遞增的地震模擬試驗。在試驗前及加載各水準地震激勵后,均對模型進行白噪聲掃頻,以觀察結(jié)構(gòu)動力特性的變化。

冷卻塔是軸對稱結(jié)構(gòu),三維運動耦合性很弱,某一個方向的地震動僅能引起本方向較為明顯的運動,對其他方向的運動影響甚小[6],因此試驗?zāi)M地震激勵采用水平單向+豎向方向組合。

根據(jù)模型結(jié)構(gòu)特點和研究內(nèi)容,本試驗在塔殼不同高度沿地震輸入方向和垂直輸入方向分別布置了兩列加速度傳感器和位移傳感器。

5試驗結(jié)果與彈塑性數(shù)值模擬分析

5.1　試驗現(xiàn)象

在加速度峰值為0.15 g至0.45 g的各試驗工況后,模型表面均未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)損傷現(xiàn)象。直至輸入強度達到0.54 g后,部分支柱柱底開始出現(xiàn)細微裂縫。隨著輸入強度的逐漸增大,不斷有新的柱底裂縫產(chǎn)生,而原有裂縫寬度則逐漸增大,甚至產(chǎn)生圍繞柱底的貫通裂縫。直至輸入加速度峰值達到1.2 g,除了柱底外,塔殼和支柱其他部位均未發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生。支柱編號如圖3所示,圖中黑色實心部分為首先發(fā)現(xiàn)殘余裂縫的斜支柱。詳細破壞情況如表4、圖4所示。

圖3　支柱編號及位置示意Fig.3　The number and location of supporting columns

表4斜支柱裂縫開展詳情

Table 4　The detailed development of cracks indiagonal supporting columns

圖4　模型破壞現(xiàn)象Fig.4　Failure phenomenon of test model

5.2　模型動力特性

圖5　一階整體傾覆振型Fig.5　The first overturming vibration mode

在不同水準地震作用前后,均用白噪聲對模型進行掃頻試驗。通過對各加速度測點的頻譜特性、傳遞函數(shù)以及時程反應(yīng)的分析[7],可以得到模型結(jié)構(gòu)在不同水準地震前后的自振頻率和相應(yīng)的振型。冷卻塔的塔殼屬于薄壁結(jié)構(gòu),局部振型數(shù)量多且頻率分布密集,對其進行模態(tài)識別比較困難。文獻[8]認為冷卻塔的一階整體傾覆振型對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響最大,而其他振型的影響很小可以忽略,因此試驗中僅對一階整體傾覆振型進行識別。在不同水準等級地震輸入后,模型一階傾覆振型頻率均為13.92 Hz,沒有發(fā)生改變,說明結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯的剛度退化,一階傾覆振型振動形態(tài)如圖5所示。

5.3　數(shù)值模型介紹

采用有限元程序Sap2000對冷卻塔試驗?zāi)Ｐ瓦M行數(shù)值模擬分析,模型殼體部分在整個試驗過程中未出現(xiàn)裂縫,因此采用彈性殼單元模擬,殼單元厚度采用實測試驗?zāi)Ｐ捅诤?沿環(huán)向劃分為276個單元,沿子午向劃分為153個單元。根據(jù)冷卻塔結(jié)構(gòu)特征,采用彈性梁單元模擬斜支柱,每根支柱劃分為6個單元,僅在柱頂和柱底設(shè)置考慮軸力和彎矩耦合的P-M2-M3纖維鉸。約束混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用Mander模型,微?；炷恋臏仡愋筒捎肨akeda模型,鍍鋅鐵絲的滯回類型采用Kinematic模型。柱底固結(jié);附加質(zhì)量配重塊采用附加節(jié)點質(zhì)量模擬。有限元模型如圖6所示。

圖6　有限元模型Fig.6　Finite element model

5.4　塔殼反應(yīng)

通過布置在模型上的位移傳感器,可以得到各測點相對于臺面的位移時程曲線。模型試驗各測點的位移時程曲線顯示出塔殼位移呈現(xiàn)整體同向振動的運動形態(tài),數(shù)值模擬也得出同樣的結(jié)論,說明冷卻塔塔殼結(jié)構(gòu)的面內(nèi)剛度很大,地震位移響應(yīng)主要由一階傾覆振型控制,殼體局部振型影響很小。加速度峰值為0.45 g的E201地震波作用下的模型殼頂和殼底沿地震輸入方向的位移時程曲線如圖7(a)所示,相應(yīng)的彈塑性數(shù)值模擬位移時程曲線如圖7(b)所示。

圖7　PGA=0.45 g的E201地震輸入工況下殼頂和殼底位移時程Fig.7　Time history curves of displacement at topand bottom of the shell under earthquake E201with PGA=0.45 g

不同水準地震作用下模型結(jié)構(gòu)相對底座的最大位移反應(yīng)見圖8。因地震激勵下冷卻塔殼體呈整體振動的運動特征,所以圖中殼體各測點的最大位移反應(yīng)相差不大。在同一水準地震作用下,Ⅲ類、Ⅳ類場地地震動激勵下的反應(yīng)明顯較大,說明結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)受地震波頻譜特性影響較大,軟弱場地會導(dǎo)致冷卻塔結(jié)構(gòu)的地震位移響應(yīng)增大。

5.5　斜支柱反應(yīng)

由試驗現(xiàn)象可以看出,損傷主要發(fā)生在斜支柱的底部,而塔殼和斜支柱的其它位置均沒有觀測到裂縫產(chǎn)生。一些工程設(shè)計規(guī)范認為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫寬度與縱向鋼筋的最大應(yīng)變直接相關(guān),如ATC-32。文獻[9]對不同縱筋配筋率、長細比、軸壓比、箍筋間距的鋼筋混凝土墩柱進行往復(fù)側(cè)向荷載加載試驗。結(jié)果表明,所有試件破壞狀態(tài)出現(xiàn)的先后順序相同,初始損傷總是以水平裂縫的形式出現(xiàn),雖然殘余裂縫寬度和開裂處縱筋最大應(yīng)變之間并沒有明確的關(guān)系,但殘余裂縫的累積概率隨最大縱向鋼筋應(yīng)變的增加而增加,且肉眼可見的殘余裂縫(裂縫寬度大于0.05 mm)幾乎都出現(xiàn)在縱筋屈服之后。因此,為了判斷結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài),進一步研究冷卻塔結(jié)構(gòu)抗震薄弱部位,本文詳細研究了斜支柱中鋼筋和混凝土材料應(yīng)變分布情況。

圖8　模型最大相對位移反應(yīng)包絡(luò)圖Fig.8　Maximum displacement envelope diagram of model structure

PGA=0.45 g和1.05 g的E201模擬地震輸入激勵下,斜支柱柱頂、柱底位置鋼筋和混凝土材料最大應(yīng)變響應(yīng)的有限元模擬結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9　PGA=0.45 g的E201作用下鋼筋和混凝土纖維最大應(yīng)變Fig.9　Maximum strain of the steel and concrete under earthquake E201 with PGA=0.45 g

從圖9(a)和圖10(a)可以看出,所有斜支柱的柱底鋼筋最大拉應(yīng)變均遠大于柱頂,且0°和180°位置的柱底反應(yīng)最大,說明殘余裂縫首先出現(xiàn)在沿地震輸入方向位置的斜支柱柱底。圖9(a)中,PGA=0.45 g的E201地震波激勵下,0°附近的最大鋼筋應(yīng)變剛達到鍍鋅鐵絲的屈服應(yīng)變0.004,即縱筋剛開始屈服,說明在輸入地震激勵加速度峰值大于0.45 g后才會出現(xiàn)肉眼可見的殘余裂縫。試驗中首次觀測到殘余裂縫是在PGA=0.54 g水準等級,且多數(shù)集中在0°附近的斜支柱柱底部位,柱頂未出現(xiàn)可見裂縫,殘余裂縫出現(xiàn)的時刻和位置與數(shù)值分析結(jié)果吻合較好。圖10(b)中,PGA=1.05 g的E201地震波激勵下,保護層混凝土最大壓應(yīng)變0.001 9,遠未達到保護層剝落時的混凝土應(yīng)變,試驗中此時也僅僅觀測到多數(shù)斜支柱出現(xiàn)了明顯的殘余裂縫,個別斜支柱柱底出現(xiàn)較寬的殘余裂縫,并未出現(xiàn)混凝土剝落的情況,與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

6結(jié)論

通過對超大型雙曲線冷卻塔1/35大比例微?；炷聊Ｐ瓦M行不同水準不同場地地震波作用下的振動臺試驗和彈塑性數(shù)值模擬研究,得到以下主要結(jié)論:

(1) 一字斜支柱支承雙曲線冷卻塔結(jié)構(gòu)抗震性能很好,可以承受較高強度的地震而不發(fā)生嚴重破壞。其斜支柱的柱底位置是結(jié)構(gòu)抗震薄弱環(huán)節(jié),試驗中裂縫最早出現(xiàn)在沿地震動輸入方向區(qū)域的斜支柱柱底部位。

(2) 冷卻塔模型的地震響應(yīng)受傾覆振型影響較大,塔殼水平位移有明顯的整體運動特征。

(3) 地震波頻譜特性對冷卻塔結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)非常明顯,軟弱場地土的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)更為不利。

(4) 采用纖維鉸和彈性殼單元的彈塑性模型可以較好地模擬冷卻塔結(jié)構(gòu)的抗震性能,數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)損傷結(jié)果和試驗現(xiàn)象基本吻合。

參考文獻

[1]中華人民共和國建設(shè)部.GB/T 50102—2003 工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范 [S].北京: 中國計劃出版社,2003.

Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB/T 50102—2003 Code for design of cooling for industrial recirculating water[S].Beijing: China Plan Publishing House,2003.(in Chinese)

[2]Carl S,Gran T,Yang Y.Refined analysis of the seismic response of column-supported cooling tower [J].Computers and Structures,1980,11(3):225-231.

[3]柯世堂,陳少林,葛耀君,等.超大型冷卻塔隨機地震響應(yīng)分析[J].地震工程與工程振動,2012,32(6):159-165.

Ke Shitang,Chen Shaolin,Ge Yaojun,et al.Earthquake stochastic response analysis of super large cooling towers[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2012,32(6):159-165.(in Chinese)

[4]薛文,白國良,姚友成,等.超大型雙曲冷卻塔考慮不同場地類型的地震性能研究[J].水利與建筑工程學(xué)報,2010,8(4):224-226.

Xue Wen,Bai Guoliang,Yao Youcheng,et al.Study on seismic performance of large hyperbolic cooling tower in different fields [J].Water Resources and Architectural Engineering,2010,8(4):224-226.(in Chinese)

[5]周穎,呂西林,盧文勝.不同結(jié)構(gòu)的振動臺試驗?zāi)Ｐ偷刃гO(shè)計方法[J].結(jié)構(gòu)工程師,2006，22(4):37-40.

Zhou Ying,Lu Xilin,Lu Wensheng.Shaking table test model design in different structures[J].Structural Engineers,2006,22(4):37-40.(in Chinese)

[6]張妍.超大型冷卻塔隨機地震響應(yīng)及可靠度分析[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2011.

Zhang Yan.Random earthquake response and reliability analysis of super large cooling tower [D].Xi′an: Xi′an University of Architecture and Technology,2011.(in Chinese)

[7]周穎,呂西林.建筑結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗方法與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2012.

Zhou Ying,Lu Xilin.Method and technology for shaking table model test of building structures[M].Beijing: Science Press,2012.(in Chinese)

[8]Carl S,Gran T,Yang Y.NASTRAN and SAP IV applications on the seismic response of column-supported cooling towers [J].Computers and Structures,1978,8(6):761-768.

[9]Lehman D,Moehle J,Mahin S.Experimental evaluation of the seismic performance of reinforced concrete bridge columns [J].Journal of Structural Engineering,2004,130(6):869-879.

收稿日期：2014-10-19

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