特大型冷卻塔單塔內(nèi)表面風(fēng)荷載三維效應(yīng)及其設(shè)計取值

鄒云峰等

摘要：通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗獲得某核電站220 m高特大型冷卻塔的內(nèi)表面風(fēng)荷載，分析冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)荷載的三維效應(yīng)，采用有限元計算方法對內(nèi)壓設(shè)計取值簡化進(jìn)行探討，并對結(jié)果產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析.結(jié)果表明，冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)壓并非完全沿環(huán)向、高度均勻分布，這種不均勻性以風(fēng)筒施工期間的空塔尤為嚴(yán)重；盡管內(nèi)壓的大小及分布特征會對響應(yīng)產(chǎn)生一定的影響，但由于冷卻塔的風(fēng)致響應(yīng)中以外壓占主導(dǎo)地位，內(nèi)壓對響應(yīng)的貢獻(xiàn)較小，將具有“三維效應(yīng)”的內(nèi)壓簡化為沿高度、環(huán)向不變的常數(shù)進(jìn)行設(shè)計可滿足安全性要求，大小可取為-0.50.研究結(jié)果可為200 m級特大型冷卻塔設(shè)計內(nèi)壓取值和相關(guān)規(guī)范修訂提供參考與依據(jù).

關(guān)鍵詞：冷卻塔；內(nèi)壓；三維效應(yīng)；風(fēng)洞試驗；設(shè)計取值

中圖分類號：TU311.3；V211.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

為實現(xiàn)循環(huán)水的冷卻，冷卻塔風(fēng)筒頂部敞開，底部由人字柱支撐而形成風(fēng)通道，故內(nèi)表面也受到風(fēng)荷載作用.相對外表面風(fēng)荷載而言，有關(guān)冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)荷載的研究成果較少，中國規(guī)范也未對其取值作出相關(guān)規(guī)定，但明確指出在進(jìn)行塔筒局部彈性穩(wěn)定性驗算時必須要考慮內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力[1-2].研究表明[3]，考慮內(nèi)壓效應(yīng)后，環(huán)向壓應(yīng)力增大，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性與局部彈性穩(wěn)定性降低，這一趨勢可能隨著冷卻塔高度的增加而更加顯著.

孫天風(fēng)等[4]通過對茂名冷卻塔的實測研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)作用下的內(nèi)壓并非沿環(huán)向均勻分布；Kasperski等[5]通過風(fēng)洞試驗發(fā)現(xiàn)內(nèi)壓沿環(huán)向和高度均勻分布，壓力系數(shù)值接近-0.50；李鵬飛等[6]的風(fēng)洞試驗結(jié)果表明內(nèi)壓基本均勻分布，但大小與填料層透風(fēng)率密切相關(guān)；張陳勝[7]和沈國輝等[8]通過CFD方法對內(nèi)壓分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明內(nèi)壓沿高度和環(huán)向變化明顯；鮑侃袁[9]通過CFD數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)塔底尾流區(qū)內(nèi)側(cè)風(fēng)壓急劇減少；余關(guān)鵬[10]和沈國輝等[11]通過風(fēng)洞試驗發(fā)現(xiàn)內(nèi)壓在底部180°圓周角急劇減少.此外，一些學(xué)者認(rèn)為內(nèi)壓沿環(huán)向、高度不變，根據(jù)經(jīng)驗假定它為某一數(shù)值，例如，Diver[12]認(rèn)為內(nèi)壓壓力系數(shù)為-0.40～-0.50，Sollenberger等[13]認(rèn)為取值為-0.40，Scanlan等[14]在由內(nèi)外壓差實測數(shù)據(jù)獲得外表面風(fēng)壓系數(shù)時取內(nèi)壓為-0.40，Kawarabata等[15]認(rèn)為實際設(shè)計中內(nèi)壓可取為-0.45.由以上綜述可以看出，雖然一些學(xué)者認(rèn)為內(nèi)壓沿環(huán)向、高度不變，但也有研究結(jié)果（包括實測、數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗）表明內(nèi)壓沿高度變化，沿環(huán)向分布也并不均勻，內(nèi)壓的分布特征及其取值尚無統(tǒng)一認(rèn)識.此外，已有研究大多在20世紀(jì)70，80年代進(jìn)行，研究對象高度大多在100 m左右[16-17].

隨著中國電力事業(yè)的發(fā)展，中國冷卻塔高度即將突破200 m的世界紀(jì)錄，此類特大型冷卻塔設(shè)計的風(fēng)荷載取值既無規(guī)范指導(dǎo)，又無實際工程經(jīng)驗借鑒，因此亟需開展內(nèi)壓相關(guān)研究.本文以中國某核電站擬建的220 m高雙曲冷卻塔為例，通過風(fēng)洞試驗的同步測壓技術(shù)獲得其內(nèi)表面的風(fēng)壓系數(shù)，對該塔的內(nèi)表面風(fēng)荷載三維效應(yīng)進(jìn)行了分析，最后采用有限元方法對其內(nèi)表面風(fēng)壓設(shè)計取值的簡化方法進(jìn)行了分析.研究成果可為此類巨型冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)荷載取值與中國相關(guān)規(guī)范的修訂提供參考和依據(jù).

1風(fēng)洞試驗概況

1.1試驗?zāi)Ｐ?/p>

某核電站擬建冷卻塔淋水面積為20 000 m2，塔頂標(biāo)高220.0 m，喉部標(biāo)高169.4 m，進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高13.45 m，人字柱底面標(biāo)高0.0 m，塔頂直徑109.0 m，喉部直徑103.5 m，底部直徑169.9 m，風(fēng)筒采用分段等厚，最小厚度在喉部斷面，壁厚0.23 m，最大厚度在下環(huán)梁位置，壁厚1.4 m，由均勻分布的56對1.4 m人字柱支撐.剛性模型測壓風(fēng)洞試驗在湖南大學(xué)HD2風(fēng)洞的高速試驗段進(jìn)行，試驗段長17.0 m，寬3.0 m，高2.5 m.試驗?zāi)Ｐ筒捎? mm厚的有機(jī)玻璃制作，保證模型具有足夠的強(qiáng)度和剛度，在試驗風(fēng)速下不發(fā)生變形及不出現(xiàn)明顯的振動.模型內(nèi)表面在外形上與實際結(jié)構(gòu)保持幾何相似，幾何縮尺比為1/200，外表面幾何相似則由于結(jié)構(gòu)壁厚太薄而無法滿足，模型底部由嚴(yán)格幾何縮尺的人字柱支撐，保證人字柱之間的空隙使得空氣可以自由出入，確保真實模擬冷卻塔內(nèi)部空氣流動特征，試驗?zāi)Ｐ驼掌鐖D1所示.在模型表面共布置14層測點(diǎn)，每層沿環(huán)向等間距布置36個測點(diǎn)，共計504個測點(diǎn)，測點(diǎn)布置及圓周角定義如圖2所示.

1.2風(fēng)場模擬

項目廠址周邊地形與GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的B類地貌類似，在湖南大學(xué)HD2風(fēng)洞高速試驗段模擬了B類地貌風(fēng)場，轉(zhuǎn)盤中心處的模擬結(jié)果如圖3所示.從圖3（a）可以看出，風(fēng)洞中模擬的平均風(fēng)速剖面與GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的B類風(fēng)場基本一致，湍流度剖面也與實際大氣中的情況基本一致；圖3（c）給出了轉(zhuǎn)盤中心50 cm高處的順風(fēng)向脈動風(fēng)譜，可以看出，模擬的順風(fēng)向脈動風(fēng)譜與常用的von Karman，Kaimal和Davenport等理論譜基本一致.

1.3符號定義

任意測點(diǎn)i處的風(fēng)壓系數(shù)CPi表示為：

2風(fēng)荷載三維效應(yīng)

冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)壓與塔底填料層透風(fēng)率大小及有無十字擋風(fēng)板密切相關(guān)，考慮到風(fēng)筒在施工期間塔底尚未安裝填料層，此時透風(fēng)率為100%（無十字擋板），而冷卻塔實際運(yùn)行狀態(tài)下填料層透風(fēng)率一般為30%（有十字擋板），因此以這兩種工況的測試結(jié)果為例，對內(nèi)壓三維效應(yīng)及其設(shè)計取值進(jìn)行分析.

圖4為各測層平均風(fēng)壓沿環(huán)向分布情況.由圖4可知，當(dāng)透風(fēng)率為100%（無十字擋板）時（圖4（a）），塔底風(fēng)壓系數(shù)在180°圓周角附近突然增大（最大值達(dá)-0.24），這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)[4，8]等的研究結(jié)果一致，其解釋為從塔底迎風(fēng)面進(jìn)來的氣流撞擊在尾流區(qū)內(nèi)壁，使得該區(qū)域的風(fēng)壓增大；其他高度的平均風(fēng)壓系數(shù)沿環(huán)向基本不變，但不同高度處的平均風(fēng)壓系數(shù)值略有不同，約為-0.50～-0.60.當(dāng)透風(fēng)率為30%（有十字擋板）時（圖4（b）），塔底內(nèi)壓沿環(huán)向分布更為均勻，沒有在180°圓周角附近發(fā)生突變，各高度平均風(fēng)壓系數(shù)沿環(huán)向基本不變，這是因為填料層具有“整流”作用，使塔內(nèi)氣流分布較空塔更為均勻，但不同高度處的平均風(fēng)壓系數(shù)值略有不同，約在-0.45～-0.55內(nèi)微小波動.圖5為各測層壓力系數(shù)平均值沿高度變化曲線，從圖5可以更為清晰地看出，內(nèi)壓并非完全沿高度均勻分布.圖6為各高度截面阻力系數(shù)沿高度變化曲線，阻力系數(shù)絕對值與0偏差越遠(yuǎn)，表明該高度風(fēng)壓沿環(huán)向分布越不均勻，由圖6可知，當(dāng)透風(fēng)率為100%（無十字擋板）時，這種不均勻性在塔底尤為顯著.

3響應(yīng)計算與結(jié)果分析

3.1有限元模型及荷載取值

采用大型通用有限元分析軟件ANSYS對原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析.建模時，冷卻塔筒體采用shell63殼單元模擬，人字柱采用beam188 Timoshenko梁單元模擬，支柱上端節(jié)點(diǎn)與風(fēng)筒末節(jié)圓的有關(guān)節(jié)點(diǎn)位置保持一致，邊界條件為人字柱底端固結(jié).劃分網(wǎng)格時，子午向根據(jù)模板節(jié)數(shù)劃分，環(huán)向等分為人字柱對數(shù)的適當(dāng)倍數(shù)，保證適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格密度以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性.有限元模型及1階模態(tài)分析結(jié)果如圖7所示，結(jié)構(gòu)基頻為0.738 Hz.

考慮到冷卻塔風(fēng)致響應(yīng)中外表面風(fēng)荷載的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，因此各計算工況均考慮了外表面風(fēng)荷載的作用，選取中國有肋曲線（該塔的設(shè)計風(fēng)壓曲線）為外表面風(fēng)壓曲線.

3.2靜力響應(yīng)

圖8所示為各工況下的靜力響應(yīng)比較，可以看出，位移響應(yīng)對內(nèi)壓大小及其分布特征不敏感，各工況下的位移響應(yīng)基本一致，當(dāng)塔底風(fēng)壓分布較為不均勻時（工況6），位移甚至略微偏?。幌鄬Χ?，內(nèi)壓的分布特征對子午向內(nèi)（應(yīng)）力影響較小，對環(huán)向內(nèi)（應(yīng)）力影響較大；內(nèi)壓沿子午向分布的不均勻性對內(nèi)（應(yīng)）力的影響較小，環(huán)向分布的不均勻性影響較大；內(nèi)壓分布越不均勻，環(huán)向壓內(nèi)（應(yīng)）力越大，拉內(nèi)（應(yīng)）力越小，且塔底風(fēng)壓沿環(huán)向分布的不均勻性對環(huán)向內(nèi)（應(yīng)）力的影響隨高度的增加而減小，當(dāng)內(nèi)壓為均勻分布時，環(huán)向壓內(nèi)（應(yīng)）力與內(nèi)壓系數(shù)絕對值成正比，拉內(nèi)（應(yīng)）力則與之成反比.

對而言，內(nèi)壓沿環(huán)向分布的不均勻性對屈曲穩(wěn)定影響較大，沿高度的不均勻性影響較小；當(dāng)內(nèi)壓均勻分布時，臨界風(fēng)速與內(nèi)壓絕對值成反比.

綜上所述，靜力響應(yīng)與屈曲穩(wěn)定計算結(jié)果均表明，將具有“三維效應(yīng)”的內(nèi)壓簡化為沿高度、環(huán)向不變的常數(shù)進(jìn)行設(shè)計可保證該塔的安全性，且內(nèi)壓取值為-0.50可滿足要求.

為進(jìn)一步分析內(nèi)壓大小及分布特征對響應(yīng)的影響機(jī)理，圖10給出了不考慮外壓時表1中各內(nèi)壓工況下的響應(yīng)計算結(jié)果.由圖10可以看出，盡管塔底風(fēng)壓沿環(huán)向不均勻分布時會使得響應(yīng)增大，但它引起的響應(yīng)相對外壓較小，例如，最大位移約為0.25 cm，不到外壓的10%.因此，盡管內(nèi)壓的分布特征會對響應(yīng)產(chǎn)生一定的影響，但由于冷卻塔的風(fēng)致響應(yīng)中以外壓占主導(dǎo)地位，內(nèi)壓對響應(yīng)的貢獻(xiàn)較小，故將具有“三維效應(yīng)”的內(nèi)壓簡化為沿高度、環(huán)向不變的常數(shù)進(jìn)行設(shè)計可滿足安全性要求.

4結(jié)論

基于剛性模型測壓風(fēng)洞試驗獲得了某核電站220 m高超大型冷卻塔沿高度、環(huán)向變化的三維內(nèi)表面風(fēng)壓系數(shù)，分析了冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)荷載的三維效應(yīng)，采用有限元計算方法對內(nèi)壓設(shè)計取值簡化進(jìn)行了討論，并對結(jié)果產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1）冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)壓并非完全沿高度、環(huán)向均勻分布，風(fēng)壓系數(shù)沿高度方向約在0.1范圍內(nèi)波動，環(huán)向不均勻性以風(fēng)筒施工期間的空塔塔底風(fēng)壓尤為嚴(yán)重.

2）盡管內(nèi)壓的大小及分布特征會對響應(yīng)產(chǎn)生一定的影響，但由于冷卻塔的風(fēng)致響應(yīng)中以外壓占主導(dǎo)地位，內(nèi)壓對響應(yīng)的貢獻(xiàn)較小，將具有“三維效應(yīng)”的內(nèi)壓簡化為沿高度、環(huán)向不變的常數(shù)進(jìn)行設(shè)計可滿足安全性要求，大小可取為-0.50.

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