基于風洞試驗的四塔布置超大型冷卻塔　　風致綜合受力與穩(wěn)定性能

王　浩　　柯世堂

(南京航空航天大學(xué)土木工程系, 南京 210016)(南京航空航天大學(xué)江蘇省風力機設(shè)計高技術(shù)研究重點實驗室, 南京 210016)

塔群干擾是影響冷卻塔抗風安全性能的主要因素之一.近年來,冷卻塔日益朝著復(fù)雜組合布置趨勢發(fā)展,其中尤以四塔組合冷卻塔群最為常見.1965年英國渡橋電廠雙排串列四塔冷卻塔群風毀事故調(diào)查結(jié)果表明,事故的主要誘因有：① 設(shè)計時未考慮塔群干擾效應(yīng)對倒塌冷卻塔表面風荷載產(chǎn)生的放大作用；② 塔筒只布置了1層中央鋼筋網(wǎng),未考慮筒體彎矩作用的影響[1].由群塔干擾效應(yīng)引起的冷卻塔受力問題是困擾大型冷卻塔抗風設(shè)計的主要問題之一,現(xiàn)有冷卻塔設(shè)計規(guī)范[2]尚未給出這方面的參考建議.

關(guān)于冷卻塔群抗風安全性方面的研究大多為關(guān)于干擾因子的研究[3-4].然而,大型冷卻塔作為兼具大跨和高聳特性的對稱混凝土薄殼結(jié)構(gòu),抗風安全性驗算中的相關(guān)評價方法和評價指標并不明確.已有研究中基于不同結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標得到的干擾效應(yīng)并不一致,甚至出現(xiàn)沖突和矛盾.文獻[5]通過列舉少數(shù)幾類響應(yīng)指標嘗試性地探討了基于風致響應(yīng)得到的干擾效應(yīng)結(jié)果,但某一特定響應(yīng)指標能否準確代替塔群干擾效應(yīng)仍值得研究.風工程界的科研人員針對冷卻塔群局部和整體屈曲穩(wěn)定性能[6-7]進行了較為系統(tǒng)的研究,并在考慮非線性效應(yīng)的基礎(chǔ)上探討了冷卻塔強度破壞極限[8].然而,研究者們大多基于單一塔群組合進行,并未得出可直接用于指導(dǎo)四塔布置形式選擇和工程設(shè)計的規(guī)律性成果.

鑒于此,本文以在建世界最高220 m的冷卻塔為對象,分別對5種(串列、矩形、菱形、L形和斜L形)典型四塔組合方案共320個工況進行了同步測壓風洞試驗.基于有限元方法對相應(yīng)工況進行風致響應(yīng)計算,對比分析了布置形式、風向角和相對位置對冷卻塔位移響應(yīng)、受力性能、局部穩(wěn)定和屈曲穩(wěn)定的影響規(guī)律.并在考慮大變形幾何非線性的基礎(chǔ)上,探討了冷卻塔在非對稱風荷載作用下的強度破壞極限.最終歸納出可為冷卻塔四塔組合方案選取和抗風安全性評估提供參考的研究結(jié)論.

1　風洞試驗

1.1　工程背景

所選在建冷卻塔高度為220 m,喉部高度為165 m,進風口高度為31 m,塔頂中面直徑為128 m,喉部中面直徑為123 m,冷卻塔底部直徑為185 m.塔筒采用64對X形支柱支撐,支柱采用矩形截面,截面尺寸為1.7 m×1.0 m.該在建冷卻塔位于B類地貌,基本風壓為0.5 kPa.風洞試驗?zāi)Ｐ涂s尺比為1∶450,采用亞克力材料制作以保證足夠的剛度和強度.沿塔筒外表面子午向均勻布置12層風壓測點,每一測點層沿環(huán)向順時針均勻布置36個測點,共計432個測點.采用DSM3000電子壓力掃描計進行風洞模型表面風壓測量,采樣頻率設(shè)置為312.5 Hz.

1.2　風場模擬與雷諾數(shù)效應(yīng)模擬

試驗用風洞是一座閉口回流式矩形截面風洞,主試驗段寬5 m,高4.5 m,風速連續(xù)可調(diào),最高穩(wěn)定風速可達30 m/s.試驗風場按中國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]中的B類地貌模擬,風場模擬的主要指標為平均風速剖面、湍流度剖面和順風向脈動風譜等,模擬效果見圖1.圖中,n為脈動風頻率,Hz；Su(n)為脈動風速功率譜,m2/s；k為地面粗糙度系數(shù)；u*為10 m高度處的平均風速,m/s.由圖可知,風場模擬效果較好,滿足試驗要求.

(a) 平均風速與湍流度

(b) 脈動風譜

為進行雷諾數(shù)效應(yīng)修正,風洞試驗中共測試了7種粗糙度工況：① 表面光滑；② 粘貼1層36條5 mm寬粗糙紙帶；③ 粘貼2層36條5 mm寬粗糙紙帶；④ 間隔粘貼2層或3層36條5 mm寬粗糙紙帶；⑤ 粘貼3層36條5 mm寬粗糙紙帶；⑥ 間隔粘貼3層或4層36條5 mm寬粗糙紙帶；⑦ 粘貼4層36條5 mm寬粗糙紙帶.圖2給出了歸一化處理后的冷卻塔喉部高度體型系數(shù)分布曲線,并與規(guī)范[2]中的風壓曲線進行對比.由圖可見,粘貼4層粗糙紙帶可以較好地實現(xiàn)冷卻塔雷諾數(shù)效應(yīng)模擬.最終模擬措施如圖3所示.

圖2　風洞試驗體型系數(shù)與目標曲線對比圖

圖3　雷諾數(shù)效應(yīng)措施圖

1.3　典型四塔布置形式

四塔風洞試驗中采用了串列、矩形、菱形、L形和斜L形5種布置形式,每種布置形式在360°風向角范圍內(nèi)以22.5°增量逐一測量,共320個試驗工況.冷卻塔塔間距均為2D,其中D為塔底直徑.為真實反映冷卻塔在電廠中受到的干擾效應(yīng),參考實際工程布置了多個周邊干擾建筑,各工況平面布置及冷卻塔位置信息見圖4.群塔工況中最大阻塞率為3.22%,滿足風洞試驗標準[10]的要求.

2　風致響應(yīng)

2.1　模型建立與模態(tài)分析

基于有限元軟件ANSYS建立了塔筒-支柱-環(huán)基的一體化模型.塔筒采用Shell63單元,其中環(huán)向256個單元,子午向128個單元.環(huán)基及與環(huán)基連接的64對X形柱均采用Beam188單元模擬,支柱與塔筒通過多點約束耦合連接,與環(huán)基通過剛性域連接.環(huán)基劃分為256個單元,環(huán)基下部采用采用Combin14單元模擬彈性地基,包括3個力彈簧單元和3個力矩彈簧單元,彈簧單元一端與環(huán)基剛性連接,另一端固結(jié)約束.該冷卻塔自振頻率較小,其基頻僅為0.542 Hz,前10階頻率均在0.8 Hz以下,結(jié)構(gòu)自振頻率低且分布密集.

2.2　對比分析

表1給出了6種典型內(nèi)力指標下四塔布置形式對冷卻塔受力性能影響程度.由表可知,不同響應(yīng)指標受塔群干擾效應(yīng)的影響不完全一致,四塔布置形式對塔筒環(huán)向彎矩和支柱扭矩影響較大.以塔筒環(huán)向彎矩和支柱扭矩為評價指標,最優(yōu)的布置形式均為串列布置形式,最不利的布置形式相對串列布置形式增大了50%以上.其余4種內(nèi)力指標受四塔布置形式影響較弱,矩形和菱形布置形式有利于減少這4類內(nèi)力指標.

(a) 串列布置

(b) 矩形布置

(c) 菱形布置

(d) L形布置

(e) 斜L形布置

圖4四塔組合工況冷卻塔布置示意圖

表15種四塔布置形式對冷卻塔典型內(nèi)力指標影響程度

內(nèi)力指標優(yōu)先順序相對最不利布置形式的內(nèi)力增量幅度/%塔筒子午向軸力菱形、矩形、L形、斜L形、串列0，2．52，4．91，6．99，7．38塔筒環(huán)向彎矩串列、斜L形、菱形、L形、矩形0，25．74，25．99，46．15，64．85支柱軸力菱形、矩形、L形、斜L形、串列0，2．11，4．32，5．90，6．67支柱彎矩矩形、菱形、L形、串列、斜L形0，0．74，5．69，7．22，7．79支柱扭矩串列、菱形、矩形、斜L形、L形0，9．89，16．54，27．92，52．46環(huán)基彎矩菱形、矩形、串列、L形、斜L形0，0．04，1．79，2．61，3．01

統(tǒng)計5種四塔布置形式下冷卻塔群在位移和6項受力指標下的響應(yīng)增量,并求出增量總和,結(jié)果見圖5.由圖可知,四塔布置形式下冷卻塔風致響應(yīng)受塔群相對位置影響顯著,以往工程設(shè)計中對同一冷卻塔群采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)設(shè)計標準不盡合理[11].為方便設(shè)計參考,表2給出5種典型四塔布置形式下冷卻塔群風致響應(yīng)安全性能的優(yōu)劣關(guān)系.

(a) 串列布置形式

(b) 矩形布置形式

(c) 菱形布置形式

(d) L形布置形式

(e) 斜L形布置形式

圖5不同響應(yīng)指標下冷卻塔風致響應(yīng)增量圖

3　穩(wěn)定性能

3.1　局部穩(wěn)定性

圖6給出了5種四塔組合在不同風向角下冷卻塔局部穩(wěn)定因子(KB)最小值的分布圖.圖中,串列布置形式最小KB值以柱狀圖表示,矩形、菱形、L形和斜L形組合的最小KB值均以相對串列布置形式對應(yīng)風向角工況的增/減量表示,其值分別為ΔK2,ΔK3,ΔK4和ΔK5.由圖可知,四塔布置形式對1#塔的KB值影響較小,2#塔受布置形式影響較大.

表2　 冷卻塔群風致響應(yīng)安全性能優(yōu)劣關(guān)系

值得注意的是,矩形、L形和斜L形布置形式均在2#塔存在KB<4.0的工況.矩形布置形式在3#塔的315°風向角處達到最小KB值3.24.而4#塔受布置形式影響最為明顯,圖中變化量的離散程度最大,串列和菱形布置形式的最小KB值工況均發(fā)生于4#塔.

綜合可知,串列方案對于提高局部穩(wěn)定性效果最為明顯,斜L形次之,矩形、菱形和L形方案下冷卻塔局部穩(wěn)定性較串列方案明顯不利.

(a) 1#塔

(b) 2#塔

(c) 3#塔

(d) 4#塔

圖6最小KB值分布圖

3.2　整體屈曲穩(wěn)定性

圖7給出了5種四塔布置形式屈曲穩(wěn)定最不利工況對應(yīng)的屈曲模態(tài)和最大位移.此外,單塔工況冷卻塔第1階屈曲系數(shù)為9.43.在5種四塔布置形式中,菱形和L形方案下冷卻塔整體屈曲安全性較差,第1階屈曲系數(shù)相對單塔工況降低了近10%；而串列、矩形和斜L形方案對冷卻塔整體屈曲穩(wěn)定性能較為有利.

3.3　強度破壞極限

進行強度破壞極限分析時考慮冷卻塔的幾何大變形效應(yīng),由最大位移隨風速變化斜率和混凝土壓縮極限狀態(tài)確定臨界失穩(wěn)風速.以10 m高度處10 m/s的初始風速作為設(shè)計基本風速,逐級加載,加載步長為2.5～10.0 m/s.當風速增大至筒壁局部區(qū)域發(fā)生拉伸破壞時,冷卻塔局部區(qū)域由鋼筋承擔受拉作用.隨著風速進一步增大,當混凝土筒壁受壓區(qū)接近壓縮極限受力狀態(tài)時,冷卻塔靜風變形迅速增大,達到冷卻塔的極限承載狀態(tài).

圖7　屈曲穩(wěn)定最不利工況下的屈曲系數(shù)與最大位移

圖8給出了5種四塔布置形式冷卻塔臨界風速分布和限承載力最不利工況下冷卻塔位移及斜率隨風速變化曲線.圖中,串列布置形式臨界風速W1以柱狀圖表現(xiàn),矩形、菱形、L形和斜L形組合的臨界風速均以相對串列布置形式對應(yīng)風向角工況的變化量表示,其值分別為ΔW2,ΔW3,ΔW4和ΔW5.分析可知，串列布置形式時4座冷卻塔均在90°和270°風向角時達到較大的臨界風速,此時冷卻塔主要受遮擋效應(yīng)影響,串列布置形式臨界風速最小值發(fā)生于4#塔0°風向角工況.矩形布置形式時2#塔在270°風向角達到最不利工況,菱形、L形和斜L形布置形式分別于247.5°,67.5°和292.5°達到極限承載力最小值,此時來流風向?qū)κ軘_塔均產(chǎn)生明顯的不對稱峽谷效應(yīng).L形、菱形和矩形布置形式的臨界失穩(wěn)風速僅為串列布置形式臨界失穩(wěn)風速的65%,70%和60%.

綜合風致響應(yīng)和穩(wěn)定性各項指標,得到5種典型四塔組合形式冷卻塔群最不利工況示意圖(見圖9),此時冷卻塔受不對稱的峽谷效應(yīng)影響.

(a) 1#塔

(b) 2#塔

(c) 3#塔

(d) 4#塔

圖8臨界風速分布圖

圖9　最不利工況示意圖

4　結(jié)論

1) 四塔布置形式對塔筒位移響應(yīng)、塔筒環(huán)向彎矩和支柱扭矩影響較大.從風致響應(yīng)角度綜合定性地給出了四塔布置形式優(yōu)選順序：串列、菱形、斜L形、矩形、L形.

2) 冷卻塔風致響應(yīng)受塔群相對位置關(guān)系影響顯著,以往工程設(shè)計中對同一冷卻塔群采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)設(shè)計標準不盡合理,且不同指標下四座冷卻塔響應(yīng)極值變化趨勢并不完全一致,表現(xiàn)出塔群效應(yīng)及周邊建筑物共同作用的復(fù)雜性.

3) 串列和斜L形布置形式在局部穩(wěn)定、整體屈曲穩(wěn)定和強度破壞極限等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢.L形、菱形和矩形布置形式的臨界失穩(wěn)風速僅為串列布置形式臨界失穩(wěn)風速的65%,70%和60%,這3種四塔布置形式在重現(xiàn)期基本風速較大的區(qū)域內(nèi)應(yīng)謹慎采用.

4) 綜合風致響應(yīng)和穩(wěn)定性各項指標,確定了5種典型四塔布置形式冷卻塔群最不利工況.當冷卻塔處于不對稱的峽谷效應(yīng)影響時,其綜合受力與穩(wěn)定性能顯著降低.

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