大型冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)致氣動(dòng)和氣彈效應(yīng)綜合研究

趙 林,展艷艷,王志男,梁譽(yù)文,劉曉鵬,程霄翔,張軍鋒,柯世堂,王小松,曹曙陽(yáng),葛耀君

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

大型冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)致氣動(dòng)和氣彈效應(yīng)綜合研究

趙 林,展艷艷*,王志男,梁譽(yù)文,劉曉鵬,程霄翔,張軍鋒,柯世堂,王小松,曹曙陽(yáng),葛耀君

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

大型冷卻塔作為空間薄壁高聳結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)突出,在設(shè)計(jì)中風(fēng)荷載屬重要的控制因素。本文系統(tǒng)地介紹了同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究團(tuán)隊(duì)在冷卻塔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)方向取得的研究進(jìn)展,涉及風(fēng)荷載特征與統(tǒng)計(jì)、結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)試驗(yàn)與分析、整體結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化、災(zāi)害氣候條件荷載與效應(yīng)分析和全過(guò)程集成軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)等5個(gè)方面,在冷卻塔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)問(wèn)題中的風(fēng)荷載、結(jié)構(gòu)響應(yīng)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)等方面得出相應(yīng)結(jié)論。

大型冷卻塔;風(fēng)荷載;結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng);多目標(biāo)優(yōu)化;災(zāi)害氣候;全過(guò)程分析

0 引 言

大型冷卻塔為空間薄壁高聳殼體結(jié)構(gòu),對(duì)風(fēng)荷載作用敏感,在設(shè)計(jì)中風(fēng)荷載是一個(gè)重要的控制因素,結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)是其抗風(fēng)研究的基礎(chǔ)。結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段,研究了塔筒表面內(nèi)外壓分布規(guī)律[1-6],發(fā)現(xiàn)了超高雷諾數(shù)條件結(jié)構(gòu)表面動(dòng)態(tài)繞流發(fā)展規(guī)律[7-10],建立了基于計(jì)算流體力學(xué)方法的冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計(jì)算方法,揭示了復(fù)雜群塔干擾條件風(fēng)荷載分布模式和結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力荷載響應(yīng)規(guī)律[11],并對(duì)原型冷卻塔開(kāi)展了長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)風(fēng)壓實(shí)測(cè)以驗(yàn)證試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果[12-14]。

大型冷卻塔振型復(fù)雜,風(fēng)振效應(yīng)突出[15-17]。為從風(fēng)洞試驗(yàn)的角度研究結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),提出了等效梁格氣動(dòng)彈性模型設(shè)計(jì)理論和方法[18]并開(kāi)展同步測(cè)壓和測(cè)振試驗(yàn)[19],用一致耦合分析法分析冷卻塔風(fēng)致響應(yīng)[20-21];建立了計(jì)入結(jié)構(gòu)荷載行為[22]的多目標(biāo)一致原則的等效風(fēng)荷載分析方法[2,23-25];考慮不同評(píng)價(jià)指標(biāo)[26-29],研究雙塔[17,30-31]、四塔[27]、六塔[26]和八塔[28,32]群塔組合干擾效應(yīng)[33-34];開(kāi)展了考慮非線性效應(yīng)的冷卻塔結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定分析。

基于大型冷卻塔全壽命經(jīng)濟(jì)性,提出了考慮各種荷載模式下[35-36]結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和強(qiáng)度安全等綜合效應(yīng)的塔筒選型多目標(biāo)優(yōu)化方法[37-39],優(yōu)化過(guò)程同時(shí)考慮復(fù)雜荷載組合作用下的結(jié)構(gòu)安全性和工程經(jīng)濟(jì)性。

傳統(tǒng)冷卻塔研究工作中的風(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算分析完全基于良態(tài)氣候模式(季風(fēng)等),大型冷卻塔對(duì)臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)等特殊極端風(fēng)作用非常敏感,此類風(fēng)環(huán)境特征不同于良態(tài)氣候模式。為此,開(kāi)展了臺(tái)風(fēng)和龍卷風(fēng)2類罕遇災(zāi)害模式作用下的理論、試驗(yàn)和實(shí)測(cè)研究[40-42],在臺(tái)風(fēng)脈動(dòng)特性[43-44]、極值風(fēng)特性隨機(jī)模擬[42]等方面取得進(jìn)展;分別利用多風(fēng)扇主動(dòng)控制風(fēng)洞[45-48]和自主開(kāi)發(fā)的龍卷風(fēng)模擬裝置[49]對(duì)臺(tái)風(fēng)和龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究工作,保證了災(zāi)害氣候條件下冷卻塔環(huán)向風(fēng)壓分布、風(fēng)振系數(shù)及內(nèi)吸力影響等因素相關(guān)技術(shù)參數(shù)取值正確,滿足在我國(guó)沿海風(fēng)災(zāi)多發(fā)區(qū)建設(shè)大型冷卻塔的需求。

基于冷卻塔設(shè)計(jì)預(yù)研、施工建造和整體運(yùn)營(yíng)等全壽命各個(gè)環(huán)節(jié),研發(fā)了涵蓋結(jié)構(gòu)建模、內(nèi)力計(jì)算、雙向配筋、整體優(yōu)化和自動(dòng)繪圖[50]等冷卻塔設(shè)計(jì)的軟件集成平臺(tái),并可針對(duì)多種災(zāi)害氣候模式(臺(tái)風(fēng)和龍卷風(fēng))分析風(fēng)效應(yīng)規(guī)律和抗風(fēng)穩(wěn)定性。

1 風(fēng)荷載特征與統(tǒng)計(jì)

1.1 動(dòng)態(tài)風(fēng)壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

冷卻塔風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔o(wú)法完整模擬雷諾數(shù)效應(yīng),難于準(zhǔn)確再現(xiàn)冷卻塔表面動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載與來(lái)流條件、塔群組合等參數(shù)間的關(guān)系,全尺寸現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)的有力補(bǔ)充和驗(yàn)證。

研發(fā)了全天候動(dòng)態(tài)風(fēng)壓采集設(shè)備,對(duì)徐州某電廠冷卻塔(高約167m)進(jìn)行了塔筒表面動(dòng)、靜態(tài)風(fēng)壓長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)[12-13]。實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)地處廣闊平原(可近似看作B類地貌),在正北與正東方向無(wú)任何高大建筑,在正西方向有少部分高大建筑(見(jiàn)圖1),考慮風(fēng)速風(fēng)向現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合冷卻塔剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比,規(guī)避了特定風(fēng)向臨近建筑物的干擾影響[13]。為確定風(fēng)壓測(cè)量時(shí)的來(lái)流狀態(tài),在測(cè)量塔正東向、距地面高度約10m處設(shè)置超聲波風(fēng)速儀。如圖2所示,在冷卻塔130m高度處沿塔筒外表面環(huán)向均勻布置36個(gè)壓阻式風(fēng)壓傳感器,在90m高度處外表面環(huán)向均勻布置18個(gè)壓阻式風(fēng)壓傳感器。測(cè)試期間記錄到了6次風(fēng)速較大(130m高度處風(fēng)速介于11～17m/s)且不受周邊高大建筑物干擾的風(fēng)壓時(shí)程。圖3給出了6次不同風(fēng)速下130m高度處沿環(huán)向表面脈動(dòng)壓力分布曲線及相應(yīng)的最小二乘平均值擬合曲線,同時(shí)與國(guó)內(nèi)外歷次冷卻塔脈動(dòng)風(fēng)壓的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。環(huán)向脈動(dòng)壓力分布曲線可以分為3個(gè)區(qū)域:迎風(fēng)區(qū)(0～40°)、側(cè)風(fēng)區(qū)(40°～120°)和背風(fēng)區(qū)(120°～180°)。迎風(fēng)區(qū)在駐點(diǎn)處的脈動(dòng)風(fēng)壓最大,在40°附近達(dá)到最小值,此點(diǎn)為平均壓力系數(shù)為0的角度;環(huán)向脈動(dòng)壓力的最大值出現(xiàn)在側(cè)風(fēng)區(qū)70°～90°的區(qū)域內(nèi),該點(diǎn)同時(shí)為平均壓力分布中最小負(fù)壓出現(xiàn)的角度;110°～120°為側(cè)風(fēng)區(qū)與尾流區(qū)的過(guò)渡區(qū)域,脈動(dòng)風(fēng)壓急劇減小,來(lái)流在此區(qū)域脫離;背風(fēng)區(qū)的風(fēng)壓脈動(dòng)平穩(wěn)且數(shù)值較小。

1.2 塔筒表面風(fēng)荷載非高斯特性

為了說(shuō)明不同斷面不同區(qū)域測(cè)點(diǎn)間風(fēng)壓的空間相關(guān)特性,圖4[25]給出了單體冷卻塔塔底、喉部和塔頂3個(gè)典型斷面迎風(fēng)區(qū)、負(fù)壓極值區(qū)和分離區(qū)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓與環(huán)向所有測(cè)點(diǎn)的相關(guān)性結(jié)果。由于塔底斷面存在明顯的三維端部效應(yīng),測(cè)點(diǎn)間的相關(guān)性較弱,主要呈現(xiàn)的是高斯分布特性;在中部和塔頂區(qū)域,迎風(fēng)面互相關(guān)性衰減極快,測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)出高斯分布特性,在負(fù)壓極值至分離區(qū)域,測(cè)點(diǎn)間的相關(guān)性較強(qiáng),并存在明顯的大偏斜和高峰態(tài)現(xiàn)象,風(fēng)壓信號(hào)表現(xiàn)出非高斯特性[56],進(jìn)入背風(fēng)區(qū)其測(cè)點(diǎn)的相關(guān)性衰減,高斯特性又逐漸明顯。

圖5給出了冷卻塔中上部斷面的環(huán)向高斯與非高斯區(qū)域的劃分圖,簡(jiǎn)單直接地反應(yīng)不同區(qū)域的風(fēng)壓分布特性[25]。圖中冷卻塔表面劃分高斯及非高斯區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)為:偏斜值|Cpisk|＞0.2且峰態(tài)值|Cpiku|＞3.5的風(fēng)壓信號(hào)為非高斯分布。

1.3 統(tǒng)一脈動(dòng)風(fēng)壓公式

根據(jù)脈動(dòng)風(fēng)壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)所表明的脈動(dòng)風(fēng)壓與紊流度之間的相關(guān)性,建立了不同紊流度條件下統(tǒng)一的脈動(dòng)風(fēng)壓環(huán)向分布模式,提出了考慮迎風(fēng)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)修正擬合的統(tǒng)一脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)均方值環(huán)向分布公式:

式中:αk(Pu)為與迎風(fēng)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)相關(guān)的八項(xiàng)式參數(shù);k=0～7;Pu是迎風(fēng)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù);Iu是來(lái)流順風(fēng)向紊流度。擬合參數(shù)如表1所示。

表1 脈動(dòng)風(fēng)壓分布統(tǒng)一擬合式及擬合參數(shù)Table 1 Uniform fitting formula and fitting parameters of fluctuating wind pressure distribution

為了進(jìn)行直觀的對(duì)比,將現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線按照迎風(fēng)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)數(shù)值大小分為3組:第1組:徐州現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),迎風(fēng)點(diǎn)脈動(dòng)系數(shù)約0.115,來(lái)流紊流度約7.32%;第2組:Ruscheweyh[51]/Davenport[52]/Sageau[53]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果[57],迎風(fēng)點(diǎn)脈動(dòng)系數(shù)約0.2,來(lái)流紊流度約12.52%;第3組:周良茂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),迎風(fēng)點(diǎn)脈動(dòng)系數(shù)約0.245,來(lái)流紊流度約15.2%。分別采用迎風(fēng)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù),利用修正脈動(dòng)風(fēng)壓公式計(jì)算得到的結(jié)果,與上述3組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行對(duì)比。圖6為徐州現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與統(tǒng)一脈動(dòng)風(fēng)壓公式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,可以看出,徐州實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)壓曲線與統(tǒng)一脈動(dòng)風(fēng)壓分布類似。圖7為已有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與統(tǒng)一脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的對(duì)比,Ruscheweyh和Davenport實(shí)測(cè)與統(tǒng)一脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在各個(gè)區(qū)域較為接近,而Sageau實(shí)測(cè)值在各個(gè)區(qū)域均大于其余測(cè)量值;周良茂實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)壓曲線與統(tǒng)一脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)較為接近,除了90°附近略有差異。綜上所述,除了Sageau實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)與統(tǒng)一脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)差別較大外,徐州冷卻塔脈動(dòng)風(fēng)壓實(shí)測(cè)結(jié)果與Davenport[52]、Ruscheweyh[51]、周良茂[54]實(shí)測(cè)曲線當(dāng)考慮來(lái)流紊流度效應(yīng)后與統(tǒng)一脈動(dòng)風(fēng)壓擬合結(jié)果在數(shù)值上差別不大,故可以定性地說(shuō)明來(lái)流紊流度的不同是造成實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)產(chǎn)生差異的主要原因。結(jié)合本文推薦的脈動(dòng)風(fēng)壓曲線統(tǒng)一擬合式(即公式(1)和(2))解釋了圖3中所示歷史上多次脈動(dòng)風(fēng)壓分布存在差異的原因。

2 結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)試驗(yàn)與分析

2.1 等效梁格氣彈模型設(shè)計(jì)

氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)是研究冷卻塔風(fēng)振響應(yīng)的有效手段,氣彈模型等效梁格設(shè)計(jì)方法針對(duì)傳統(tǒng)“連續(xù)介質(zhì)氣彈模型”在物理參數(shù)和氣動(dòng)力參數(shù)相似比模擬等方面存在的不足做出相應(yīng)的改進(jìn)(見(jiàn)表2),在模型頻率、振型、氣動(dòng)力參數(shù)模擬、風(fēng)振系數(shù)分布和試驗(yàn)易操作性方面均取得良好的效果[18]。等效梁格方法采用空間縱橫垂直交叉桁梁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)近似模擬連續(xù)殼筒體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性,解決了連續(xù)介質(zhì)模型彎扭剛度與軸向剛度不協(xié)調(diào)的問(wèn)題;按照幾何相似比的要求,采用具有可張拉性能的彈性、輕質(zhì)薄膜整體張貼在鋼骨架外表面模擬實(shí)際冷卻塔結(jié)構(gòu)的外形;為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量系統(tǒng)的模擬,用銅鉛塊為配重補(bǔ)充不足部分的質(zhì)量;模型環(huán)向和子午向構(gòu)件采用A3鋼線切割加工,考慮外置彈性蒙皮附加阻尼比效應(yīng)后中,總阻尼比仍可以控制在3.5%左右,基本滿足鋼筋混凝土冷卻塔5%的阻尼比要求。根據(jù)等效梁格方法設(shè)計(jì)的冷卻塔氣彈模型如圖8所示。由表3可見(jiàn),等效梁格冷卻塔模型與原型結(jié)構(gòu)振型具有較好的相似性且表面壓力分布與規(guī)范值較好吻合。

表2 冷卻塔氣彈模型等效梁格設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法比較Table 2 Comparison between equivalent beam-net method and traditional method

表3 冷卻塔氣彈模型設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)測(cè)值Table 3 Design parameters and measurement values of cooling tower model

2.2 共振響應(yīng)

冷卻塔結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)振響應(yīng)以共振分量為主[16],背景和交叉項(xiàng)分量的貢獻(xiàn)比較接近,一般均在10%以下,最大可達(dá)到20%左右。圖9給出了超大塔結(jié)構(gòu)總的脈動(dòng)風(fēng)振響應(yīng)三維分布圖。由圖可見(jiàn),隨著子午向高度的增大,總脈動(dòng)風(fēng)振響應(yīng)逐漸變大,在80m高度處出現(xiàn)第1個(gè)峰值,然后再減小到140m高度后又逐步增大至塔頂,其在子午向上出現(xiàn)2個(gè)明顯的峰值;在環(huán)向斷面上其響應(yīng)也出現(xiàn)多個(gè)峰值,并且沒(méi)有對(duì)稱特性;結(jié)構(gòu)的最大脈動(dòng)風(fēng)振響應(yīng)數(shù)值達(dá)到6.6mm。

2.3 群塔干擾評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

為量化風(fēng)荷載條件冷卻塔群塔干擾效應(yīng),形成了眾多干擾效應(yīng)定義準(zhǔn)則,派生出數(shù)值結(jié)果差異性較大的荷載比例放大因子——群塔比例系數(shù),認(rèn)識(shí)和評(píng)判準(zhǔn)則存在明顯的差異。為了系統(tǒng)地研究冷卻塔復(fù)雜群塔條件荷載干擾效應(yīng),本項(xiàng)研究以某超大型冷卻塔為例,基于風(fēng)洞試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)有限元分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配筋方案,系統(tǒng)分析了六塔典型布置條件的群塔干擾效應(yīng),詳細(xì)比較了不同塔距條件矩陣、菱形布置方案的基于荷載、受力和設(shè)計(jì)配筋3個(gè)比較準(zhǔn)則層面的群塔干擾效應(yīng)。圖10定義和比較了25種指標(biāo)下的群塔比例系數(shù),可見(jiàn)多種群塔比例系數(shù)準(zhǔn)則在數(shù)值大小和離散性方面存在明顯差異,在描述風(fēng)荷載最不利來(lái)流角度方面具有較好的一致性,其中配筋層面的群塔比例系數(shù)離散性顯著小于荷載層面結(jié)果[58]。

根據(jù)配筋包絡(luò),采取分項(xiàng)群塔比例系數(shù)放大規(guī)范風(fēng)壓(見(jiàn)圖11),配筋曲線與按全局統(tǒng)一的群塔比例系數(shù)的配筋曲線的對(duì)比如圖12所示。由圖可知,按照分項(xiàng)群塔比例系數(shù)計(jì)算的塔筒配筋曲線在實(shí)現(xiàn)配筋包絡(luò)的同時(shí)減少其它模板位置的配筋富余[59]。推薦多風(fēng)向角多設(shè)計(jì)荷載組合獲得的塔筒配筋包絡(luò)作為冷卻塔設(shè)計(jì)參考依據(jù),基于配筋包絡(luò)比選的在塔筒高度范圍內(nèi)變化的分項(xiàng)干擾系數(shù)作為工程應(yīng)用群塔比例系數(shù)。

2.4 多目標(biāo)等效風(fēng)荷載

多目標(biāo)等效靜風(fēng)荷載的實(shí)質(zhì)是通過(guò)一定的數(shù)值優(yōu)化方法找到一個(gè)“誤差最小”的等效靜風(fēng)荷載分布模式,同時(shí)接近多個(gè)響應(yīng)目標(biāo)的極值。以喉部斷面環(huán)向18個(gè)節(jié)點(diǎn)(平均間隔20°取點(diǎn))位移響應(yīng)極值作為等效目標(biāo),得出了對(duì)應(yīng)的多目標(biāo)等效靜風(fēng)荷載三維分布圖和等值線圖,如圖13和14所示[25]。由圖可知:多目標(biāo)等效靜風(fēng)荷載沒(méi)有具體的物理含義,在數(shù)值上沒(méi)有出現(xiàn)分布很不合理的區(qū)域或現(xiàn)象,均在-15～18k N之間;在頂部斷面出現(xiàn)的峰值數(shù)量減小,并且數(shù)值也更加合理,與實(shí)際的等效靜風(fēng)荷載分布特征接近。

為對(duì)比多目標(biāo)等效靜風(fēng)荷載和規(guī)范給出的單塔表面風(fēng)荷載分布特征的差別,圖15給出了冷卻塔喉部環(huán)向斷面上以典型結(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)極值作為等效目標(biāo)得到的等效風(fēng)荷載和規(guī)范分布曲線圖,并給出了各個(gè)典型斷面上隨環(huán)向角度變化的等效風(fēng)荷載擬合多項(xiàng)式。由圖可知,考慮多目標(biāo)的等效風(fēng)荷載曲線在分布模式和數(shù)值大小上均與規(guī)范數(shù)值有較大的差別;在不同斷面分布模式不同,不存在絕對(duì)的正、負(fù)壓區(qū)域,并且其峰值也不一定出現(xiàn)在迎風(fēng)面,因此分?jǐn)嗝姹硎靖鼮楹侠怼?/p>

為驗(yàn)證多目標(biāo)等效靜風(fēng)荷載的精度,將其作為靜力荷載加載到大型冷卻塔結(jié)構(gòu)上,求解相應(yīng)的風(fēng)振響應(yīng),并與結(jié)構(gòu)實(shí)際響應(yīng)極值進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如圖16所示[25]。由圖可見(jiàn),采用多目標(biāo)等效靜風(fēng)荷載計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與實(shí)際響應(yīng)極值相差很小,誤差控制滿足要求。

3 整體結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化

塔筒選型多目標(biāo)優(yōu)化方法考慮各種荷載組合下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、強(qiáng)度安全和總體造價(jià)等的綜合效應(yīng),結(jié)合響應(yīng)面法與梯度搜索法,得到了適用于多種風(fēng)荷載分布模式的塔型。結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型過(guò)程分為2個(gè)階段[38]:第一階段確定在不同風(fēng)荷載分布模式下關(guān)于荷載加載方向角的最不利工況,優(yōu)化目標(biāo)為PT→PTmax;第二階段在對(duì)應(yīng)風(fēng)荷載分布模式下對(duì)典型結(jié)構(gòu)參量取值構(gòu)成的可行域內(nèi)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化選出經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)尺寸,優(yōu)化目標(biāo)為PT→PTmin,待優(yōu)化參數(shù)如表4和圖17所示。

表4 主要優(yōu)化變量Table 4 Main optimization variables

選取規(guī)范對(duì)稱風(fēng)壓、試驗(yàn)迎風(fēng)非對(duì)稱風(fēng)壓、試驗(yàn)側(cè)風(fēng)非對(duì)稱風(fēng)壓和試驗(yàn)對(duì)稱放大風(fēng)壓4種風(fēng)荷載分布模式,在4種風(fēng)荷載分布模式下分別進(jìn)行冷卻塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化,得到各荷載模式對(duì)應(yīng)的優(yōu)化塔型子午線型。優(yōu)化塔型子午線型的半徑及壁厚隨高度的變化如圖18所示[38]。

從塔筒配筋的角度考察優(yōu)化塔型1的強(qiáng)度安全性,圖19[38]給出其在4種風(fēng)荷載分布模式下的塔筒理論配筋量。由圖可知,在規(guī)范對(duì)稱風(fēng)壓下,優(yōu)化塔型1的子午向外側(cè)、子午向內(nèi)側(cè)理論配筋量在絕大多數(shù)子午向模板都大于其他風(fēng)荷載分布模式的相應(yīng)值,環(huán)向外側(cè)、環(huán)向內(nèi)側(cè)理論配筋量至少70%的子午向模板理論配筋量都不小于其他風(fēng)荷載分布模式的相應(yīng)值,其余曲線交叉情況大多出現(xiàn)在第80階及以上或第5階及以下的子午向模板。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可通過(guò)實(shí)際局部配筋加強(qiáng)保證每一層子午向模板的強(qiáng)度安全。綜上所述,優(yōu)化后的塔筒子午向線形1適用于多種風(fēng)荷載分布模式。

在規(guī)范對(duì)稱風(fēng)壓下,優(yōu)化塔型1的穩(wěn)定系數(shù)相較于初始塔型有所提高,鋼筋造價(jià)比降低5.4%,總造價(jià)降低19.0%。具體優(yōu)化效果隨優(yōu)化迭代步數(shù)的變化趨勢(shì)如圖20所示。

表5 優(yōu)化塔型1與初始塔型性能對(duì)比Table 5 Comparison between optimized and initial tower

4 災(zāi)害氣候條件荷載與效應(yīng)分析

4.1 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)環(huán)境主動(dòng)風(fēng)洞模擬

由于氣象站在進(jìn)行風(fēng)速統(tǒng)計(jì)時(shí)無(wú)法區(qū)分極值風(fēng)速是良態(tài)風(fēng)引起還是臺(tái)風(fēng)引起,當(dāng)某地區(qū)良態(tài)風(fēng)的發(fā)生權(quán)重大于臺(tái)風(fēng)時(shí),就會(huì)降低規(guī)范所統(tǒng)計(jì)的基本風(fēng)速,若在該地區(qū)僅采用規(guī)范風(fēng)荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)而不考慮臺(tái)風(fēng)氣候的影響可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

為了模擬臺(tái)風(fēng)場(chǎng)極值風(fēng)環(huán)境特征,選取了上海地區(qū)臺(tái)風(fēng)極值風(fēng)環(huán)境作為主動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M對(duì)象,本次試驗(yàn)利用了日本宮崎大學(xué)的三維多風(fēng)扇主動(dòng)控制風(fēng)洞(見(jiàn)圖21)。臺(tái)風(fēng)氣候下B類工程地貌的平均風(fēng)、紊流度、紊流積分尺度剖面模擬如圖22所示。

以上海地區(qū)登陸的臺(tái)風(fēng)作為例,收集和整理了1949～2005年間該地臺(tái)風(fēng)年鑒統(tǒng)計(jì)資料和上海崇明島侯家鎮(zhèn)氣象站的逐時(shí)(連續(xù))氣象觀測(cè)記錄[41],通過(guò)敏感度分析方法選出了對(duì)臺(tái)風(fēng)極值風(fēng)環(huán)境貢獻(xiàn)程度較大的參數(shù),采用Monte-Carlo臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)隨機(jī)模型以越界峰值法和廣義Pareto分布探討了幾類工程場(chǎng)地目標(biāo)重現(xiàn)期內(nèi)極值風(fēng)速預(yù)測(cè)過(guò)程,給出了3類典型工程場(chǎng)地臺(tái)風(fēng)風(fēng)環(huán)境的梯度風(fēng)高度、平均風(fēng)剖面、極值風(fēng)速和陣風(fēng)因子取值(見(jiàn)表6)?？梢钥闯?臺(tái)風(fēng)氣候A類、B類場(chǎng)地下,梯度風(fēng)高度普遍低于規(guī)范值,平均風(fēng)速剖面也較規(guī)范值陡;同時(shí)臺(tái)風(fēng)氣候下的10min平均風(fēng)速及瞬時(shí)風(fēng)速一般低于規(guī)范值。

表6 3種典型工程場(chǎng)地臺(tái)風(fēng)與良態(tài)氣候模式風(fēng)環(huán)境參數(shù)比較(百年設(shè)計(jì)風(fēng)速)Table 6 Parameter comparison between typhoon and normal wind at 3 typical engineering sites

基于某電廠大型冷卻塔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)氣候下的紊流度Iu(TC)與規(guī)范風(fēng)荷載下的紊流度Iu(Code)存在如公式(3)所示的關(guān)系:

式中:α值對(duì)應(yīng)A、B、C 3類工程場(chǎng)地分別取1.60、1.48和1.36;3類工程場(chǎng)地下的Iu(Code)分別 為IuA(z)=12% × (z/10)-0.12、IuB(z)=14% ×(z/10)-0.15、IuC(z)=23%×(z/10)-0.22。圖23給出了臺(tái)風(fēng)氣候與規(guī)范荷載下3類工程場(chǎng)地的紊流度剖面。圖24(a)和(b)分別給出了冷卻塔喉部區(qū)域與迎風(fēng)駐點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)及與風(fēng)壓最小點(diǎn)的相關(guān)系數(shù),可以看出:臺(tái)風(fēng)氣候下紊流度高于規(guī)范風(fēng)荷載的紊流度,因此相關(guān)系數(shù)也較大,即紊流度越大,相關(guān)系數(shù)越強(qiáng)。

4.2 龍卷風(fēng)條件

同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的龍卷風(fēng)模擬器[49]可以通過(guò)改變導(dǎo)流板角度得到不同渦流比(不同尺度、不同流動(dòng)形態(tài))的龍卷風(fēng),通過(guò)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到不同轉(zhuǎn)速的龍卷風(fēng),同時(shí)可模擬龍卷風(fēng)水平移動(dòng)。龍卷風(fēng)風(fēng)洞及示意圖如圖25和26所示。由龍卷風(fēng)風(fēng)洞模擬器得到的龍卷風(fēng)三維風(fēng)速和風(fēng)壓場(chǎng)[61]如圖27所示。

改變龍卷風(fēng)渦核與冷卻塔塔筒中心的相對(duì)位置關(guān)系,測(cè)量塔筒內(nèi)外表面風(fēng)壓分布。如圖28[62]所示,試驗(yàn)中龍卷風(fēng)和冷卻塔模型的相對(duì)位置關(guān)系通過(guò)r/rc量化,其中r代表冷卻塔中心與龍卷風(fēng)中心之間的距離,rc代表冷卻塔塔筒高度處的龍卷風(fēng)半徑;沿冷卻塔高度布置3層測(cè)壓點(diǎn),環(huán)向每層均勻布置12個(gè),測(cè)壓點(diǎn)的布置和編號(hào)如圖29所示。定義渦流比,變化范圍為1～12。

以上部測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)分布為例,給出不同渦流比S、不同相對(duì)位置條件下的試驗(yàn)結(jié)果[62]如圖30、31和32所示。圖中橫坐標(biāo)為測(cè)壓點(diǎn)編號(hào),縱坐標(biāo)為平均壓力系數(shù)。由圖可見(jiàn),在龍卷風(fēng)特異氣流影響下冷卻塔內(nèi)、外表面均呈現(xiàn)負(fù)壓,與規(guī)范風(fēng)荷載與臺(tái)風(fēng)氣候下的冷卻塔表面風(fēng)荷載分布存在本質(zhì)區(qū)別;冷卻塔距離龍卷風(fēng)越近,塔筒內(nèi)、外表面吸力越大,反之,塔筒內(nèi)、外表面吸力越小。

5 全過(guò)程集成軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)

目前國(guó)內(nèi)采用的冷卻塔計(jì)算分析及設(shè)計(jì)程序難于滿足超出規(guī)范要求的超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)和抗震設(shè)計(jì)要求,缺少靈活的風(fēng)洞試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)荷載與國(guó)外相關(guān)規(guī)范規(guī)定的荷載輸入條件,不具備整體結(jié)構(gòu)考慮多種荷載組合條件全局優(yōu)化設(shè)計(jì)功能,分析結(jié)果未與通用商業(yè)軟件進(jìn)行系統(tǒng)的校核,不方便設(shè)計(jì)人員完成冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。為適應(yīng)我國(guó)新形式下超大型冷卻塔建設(shè)工作的順利展開(kāi),基于設(shè)計(jì)預(yù)研、施工建造和整體運(yùn)營(yíng)等全壽命各個(gè)環(huán)節(jié),研發(fā)了涵蓋結(jié)構(gòu)建模、內(nèi)力計(jì)算、雙向配筋、整體優(yōu)化和自動(dòng)繪圖等冷卻塔設(shè)計(jì)的軟件集成平臺(tái)——同濟(jì)風(fēng)向標(biāo)Wind Lock軟件,并可針對(duì)多種災(zāi)害氣候模式(臺(tái)風(fēng)和龍卷風(fēng))分析風(fēng)效應(yīng)規(guī)律和抗風(fēng)穩(wěn)定性。

Wind Lock功能模塊主要包括:(1)良態(tài)與臺(tái)風(fēng)氣候極值風(fēng)環(huán)境模擬與預(yù)測(cè);(2)大跨空間結(jié)構(gòu)(冷卻塔)動(dòng)力及等效風(fēng)荷載分析;(3)大跨空間結(jié)構(gòu)(冷卻塔)多種荷載組合與設(shè)計(jì)分析;(4)輔助模塊 (氣動(dòng)力參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、復(fù)雜群樁特性分析等)。具體分項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)示例如圖33所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文在概括介紹同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究團(tuán)隊(duì)在冷卻塔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)方向取得的研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)說(shuō)明了在風(fēng)荷載特征與統(tǒng)計(jì)、結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)試驗(yàn)與分析、整體結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化、災(zāi)害氣候條件荷載與效應(yīng)分析和全過(guò)程集成軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)等5個(gè)方面取得的代表性研究成果。主要結(jié)論如下:

(1)進(jìn)行了長(zhǎng)期的原形冷卻塔動(dòng)態(tài)風(fēng)壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),得到了環(huán)向脈動(dòng)風(fēng)壓分布曲線;發(fā)現(xiàn)了塔筒表面風(fēng)荷載的非高斯分布特性,給出了塔筒環(huán)向非高斯區(qū)域劃分;建立了考慮紊流度影響的統(tǒng)一脈動(dòng)風(fēng)壓擬合公式,對(duì)歷次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值均有較好的擬合效果。

(2)提出并應(yīng)用等效梁格氣彈模型研究冷卻塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng),量化了沿塔筒高度脈動(dòng)響應(yīng)分布;比較不同指標(biāo)對(duì)群塔干擾效應(yīng)的評(píng)價(jià)異同;研究了多目標(biāo)等效靜風(fēng)荷載的分布規(guī)律及其合理性。

(3)提出針對(duì)最不利工況確定、冷卻塔結(jié)構(gòu)參數(shù)選取和子午線性改進(jìn)方面的整體結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化方法。

(4)研究了臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)等災(zāi)害氣候條件下冷卻塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng),對(duì)比良態(tài)風(fēng)條件及災(zāi)害氣候條件下冷卻塔內(nèi)、外表面風(fēng)荷載分布差異。

(5)自主開(kāi)發(fā)了全過(guò)程集成軟件平臺(tái)Wind-Lock,實(shí)現(xiàn)大型冷卻塔結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模、動(dòng)靜力分析、整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析等。

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Comprehensive investigation into wind-induced aerodynamic and aeroelastic effects of large cooling towers

Zhao Lin,Zhan Yanyan*,Wang Zhinan,Liang Yuwen,Liu Xiaopeng,Cheng Xiaoxiang,Zhang Junfeng,Ke Shitang,Wang Xiaosong,Cao Shuyang,Ge Yaojun
(State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

As typical thin-wall flexible structures,large cooling towers are of critical sensitivity to wind loads during its life-cycle.It's introduced systematically the research development of large cooling towers made by Tongji wind-resistance group during the past decades,including the study on statistic characteristics of the wind load from the full-scale observation,experiment and analysis of wind-induced structural responses,multi-objective structural optimization,the study on wind-induced loads and effects under disaster climates,the development of the self-developed whole process integration software platform,and so on.Some key problems in engineering application and fundamental investigation discovered during the development of large cooling towers in China have been resolved successfully.

large cooling towers;wind loads;wind-induced structural effects;multi-objective optimization;disaster climate;full-process analysis

TU973.2+13

:A

(編輯:李金勇)

2016-12-21;

:2017-03-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51678451和50978203);科技部重大科技項(xiàng)目(核電超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)研究及技術(shù)支持,2009ZX06004-010-HYJY);國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目(51222809);教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”(NCET-13-0429)聯(lián)合資助項(xiàng)目

*通信作者E-mail:Zhan-yanyan@126.com

Zhao L,Zhan Y Y,Wang Z N,et al.Comprehensive investigation into wind-induced aerodynamic and aeroelastic effects of large cooling towers.Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2017,31(3):1-15.趙 林,展艷艷,王志男,等.大型冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)致氣動(dòng)和氣彈效應(yīng)綜合研究.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2017,31(3):1-15.

1672-9897(2017)03-0001-15

10.11729/syltlx20160201

趙 林(1974-),黑龍江牡丹江人,教授,博導(dǎo)。研究方向:橋梁和建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)工程。通信地址:上海市四平路1239號(hào)同濟(jì)大學(xué)風(fēng)工程館305室(200092)。E-mail:zhaolin@#edu.cn