超大型冷卻塔施工全過程風(fēng)振響應(yīng)及風(fēng)振系數(shù)演化規(guī)律研究

朱 鵬, 柯世堂

(1.南京航空航天大學(xué) 土木工程系,南京 210016;2.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司,南京 210019)

目前我國(guó)在建和擬建的火/核電廠超大型冷卻塔高度遠(yuǎn)超規(guī)范[1-2]高度限值(190 m)、突破世界紀(jì)錄(200 m)[3]，此類超大型冷卻塔與中小型常規(guī)冷卻塔相比有兩個(gè)鮮明特點(diǎn)：表面三維動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載效應(yīng)更加顯著[4-6]、主體結(jié)構(gòu)施工周期更長(zhǎng)且難度更大[7-8]，整體結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度通常需要12～16個(gè)月時(shí)間。因此，現(xiàn)有設(shè)計(jì)中采用成塔單一風(fēng)振系數(shù)與強(qiáng)度控制目標(biāo)來(lái)指導(dǎo)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)并不能真實(shí)反應(yīng)超大型冷卻塔施工過程中動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載特性與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力性能的演化，完全忽略了施工過程中混凝土材料和結(jié)構(gòu)性能的實(shí)時(shí)演化。因此，探究施工全過程風(fēng)振機(jī)理問題正是目前此類超大型冷卻塔抗風(fēng)研究的關(guān)鍵和瓶頸。

針對(duì)大型冷卻塔的風(fēng)振響應(yīng)與風(fēng)振系數(shù)研究，許林汕等[9]采用虛擬激勵(lì)法與振型迭加法進(jìn)行了冷卻塔結(jié)構(gòu)的隨機(jī)風(fēng)振響應(yīng)分析，定量地比較了風(fēng)振響應(yīng)中背景分量與共振分量的貢獻(xiàn)；柯世堂等[10]系統(tǒng)分析了冷卻塔結(jié)構(gòu)本身和外界干擾對(duì)強(qiáng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的影響，總結(jié)了特征尺寸、阻尼比和周邊干擾對(duì)冷卻塔風(fēng)振響應(yīng)的影響規(guī)律；柯世堂等[11]通過同步測(cè)壓和測(cè)振冷卻塔氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)，探討了自激力效應(yīng)對(duì)于大型冷卻塔表面風(fēng)壓和風(fēng)振響應(yīng)的影響；鄒云峰等[12]將我國(guó)規(guī)范與德國(guó)VGB規(guī)范[13]等效靜力風(fēng)荷載計(jì)算公式進(jìn)行了對(duì)比，探討了風(fēng)振系數(shù)與平均風(fēng)壓分布系數(shù)取值差異對(duì)于冷卻塔內(nèi)力及變形分布的影響。然而，已有研究成果鮮有涉及大型冷卻塔施工全過程風(fēng)振響應(yīng)機(jī)理分析，更缺乏超大型冷卻塔施工全過程風(fēng)振系數(shù)的精細(xì)化取值研究，給此類超大型冷卻塔施工期的風(fēng)荷載取值和抗風(fēng)安全帶來(lái)隱患。

鑒于此，以西北地區(qū)某在建超大型冷卻塔(210 m)為背景，建立不同施工高度冷卻塔高精度三維實(shí)體模型，采用LES技術(shù)進(jìn)行了冷卻塔施工全過程脈動(dòng)風(fēng)荷載數(shù)值模擬。結(jié)合有限元完全瞬態(tài)法對(duì)比分析超大型冷卻塔施工全過程塔頂位移、子午向軸力及環(huán)向彎矩等典型響應(yīng)風(fēng)振實(shí)時(shí)變化特性，并基于三種典型目標(biāo)和五種取值方法系統(tǒng)探討了超大型冷卻塔施工全過程風(fēng)振系數(shù)沿高度和環(huán)向角度的演化規(guī)律，最終提出了以施工高度為函數(shù)的超大型冷卻塔施工全過程風(fēng)振系數(shù)計(jì)算公式。

1 算例說(shuō)明

1.1 工程介紹

本工程在建超大型冷卻塔塔高210 m，喉部標(biāo)高157.5 m，進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高32.5 m。塔筒采用52對(duì)X型支柱支撐并與環(huán)板基礎(chǔ)連接，X型柱采用矩形截面，截面尺寸為1.2 m×1.8 m，環(huán)板基礎(chǔ)寬12.0 m，高2.5 m。表1給出了超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)典型的特征尺寸。

表1 超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)特征尺寸列表

1.2 施工全過程模型定義

為系統(tǒng)分析施工全過程超大型冷卻塔風(fēng)振響應(yīng)特性及風(fēng)振系數(shù)演化規(guī)律，綜合考慮工程施工進(jìn)度與數(shù)值計(jì)算精度，按塔筒施工模板層數(shù)劃分了八個(gè)典型施工工況，各工況參數(shù)如表2所示。

1.3 計(jì)算參數(shù)說(shuō)明

本工程超大型冷卻塔所處地貌類別為B類，百年一遇最大風(fēng)速為23.7 m/s，對(duì)應(yīng)風(fēng)壓為0.35 kN/m2，粗糙度指數(shù)取為0.15，成塔結(jié)構(gòu)表面平均風(fēng)壓采用冷卻塔規(guī)范中實(shí)測(cè)風(fēng)壓分布曲線作為標(biāo)準(zhǔn)。

2 風(fēng)荷載數(shù)值模擬

2.1 方法介紹

結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究中流體視為黏性不可壓縮，對(duì)瞬態(tài)的N-S方程進(jìn)行空間平均，可得大渦模擬方法[14]的控制方程為

(1)

表2 超大型冷卻塔施工全過程典型工況參數(shù)列表

(3)

根據(jù)Smagorinsky提出的基于渦旋黏度假設(shè)的亞格子模型，引入Boussinesq假設(shè)，亞格子應(yīng)力可表達(dá)為

(4)

(5)

該模型適合工程應(yīng)用、無(wú)需采用試驗(yàn)濾波且計(jì)算量少，適用于此類高雷諾數(shù)冷卻塔的模擬[15]。

2.2 網(wǎng)格劃分與參數(shù)設(shè)置

為保證數(shù)值計(jì)算中超大型冷卻塔雷諾數(shù)與實(shí)際工程中相似，數(shù)值計(jì)算中按足尺建模。計(jì)算模型塔高H=210 m，塔底直徑D=180 m，流體計(jì)算域長(zhǎng)(Y=30D)×寬(X=20D)×高(Z=5D)=6 000 m×4 000 m×1 000 m(Y為順風(fēng)向，X為橫風(fēng)向，Z為高度方向)，模型阻塞率小于1%，滿足規(guī)范要求。計(jì)算模型中心距離計(jì)算域入口10D，為使尾流得到充分發(fā)展，出口位置距離模型20D。

為了更好地兼顧計(jì)算效率與精度，計(jì)算域劃分為局部加密區(qū)域與外圍區(qū)域。在冷卻塔結(jié)構(gòu)附近的內(nèi)部區(qū)域選用具有良好適應(yīng)性的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元，同時(shí)采用網(wǎng)格控制措施對(duì)模型表面網(wǎng)格、模型附近流動(dòng)變化劇烈區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，嚴(yán)格控制近壁面的網(wǎng)格尺度，進(jìn)而完成整個(gè)內(nèi)部區(qū)域的混合網(wǎng)格離散。在遠(yuǎn)離冷卻塔模型的外圍空間，選用具有規(guī)則拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散，從而顯著減小計(jì)算模型的網(wǎng)格總數(shù)提高了計(jì)算效率。核心區(qū)最小網(wǎng)格尺寸為0.2 m，全塔結(jié)構(gòu)總網(wǎng)格數(shù)量控制在1 280萬(wàn)左右。

通過UDF文件定義邊界條件，入口邊界條件為速度入口(Velocity Inlet)，按B類地貌風(fēng)剖面設(shè)置相應(yīng)參數(shù)；出口采用壓力出口邊界條件(Pressure-Outlet)，相對(duì)壓力選為零；計(jì)算域頂部和側(cè)面采用等效于自由滑移壁面的對(duì)稱邊界條件(Symmetry)；地面以及建筑物表面采用無(wú)滑移壁面邊界條件(Wall)?？諝怙L(fēng)場(chǎng)選用不可壓縮流場(chǎng)，亞格子模型采用Dynamic Smagorinsky-Lilly模型，并采用SIMPLEC方法進(jìn)行離散方程組的求解。LES計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取為0.05 s。流體計(jì)算域及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2.3 風(fēng)場(chǎng)模擬

試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的B類地貌模擬[16]，風(fēng)場(chǎng)模擬的主要指標(biāo)為平均風(fēng)速剖面、湍流度剖面和順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)譜等，數(shù)值模擬結(jié)果見圖2?？梢娒}動(dòng)風(fēng)場(chǎng)模擬較好，滿足規(guī)范要求。

2.4 模擬結(jié)果及分析

2.4.1 典型測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓

通過LES獲得施工全過程冷卻塔表面脈動(dòng)風(fēng)壓時(shí)程，受限于篇幅，圖3僅給出了成塔工況迎風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面、分離點(diǎn)及背風(fēng)面測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程曲線。

圖4給出了各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率譜密度函數(shù)曲線，對(duì)比發(fā)現(xiàn)不同脈動(dòng)風(fēng)荷載功率譜均在低頻段出現(xiàn)峰值，脈動(dòng)風(fēng)壓能量主要集中在低頻區(qū)域，而位于結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面的測(cè)點(diǎn)功率譜數(shù)值較分離點(diǎn)與背風(fēng)面測(cè)點(diǎn)譜值稍大。

(a) 計(jì)算域參數(shù)設(shè)置示意圖

(a) 平均風(fēng)速剖面

(b) 湍流度剖面

(c) 脈動(dòng)風(fēng)譜

(a) 迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)

(b) 側(cè)風(fēng)面測(cè)點(diǎn)

(c) 分離點(diǎn)測(cè)點(diǎn)

(d) 背風(fēng)面測(cè)點(diǎn)

圖4 成塔典型測(cè)點(diǎn)功率譜密度函數(shù)曲線圖

2.4.2 平均與脈動(dòng)風(fēng)壓有效性驗(yàn)證

考慮到冷卻塔規(guī)范僅給出了冷卻塔成塔狀態(tài)表面平均風(fēng)壓的分布規(guī)律，圖5(a)給出了成塔典型斷面平均和脈動(dòng)風(fēng)壓與國(guó)內(nèi)外實(shí)測(cè)及風(fēng)洞試驗(yàn)分布曲線對(duì)比示意圖。對(duì)比發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)的平均風(fēng)壓分布曲線吻合很好，在迎風(fēng)面、負(fù)壓極值區(qū)以及背風(fēng)面分離點(diǎn)處壓力系數(shù)數(shù)值均與規(guī)范曲線接近，驗(yàn)證了基于大渦模擬獲得的平均風(fēng)壓的有效性。圖5(b)中脈動(dòng)風(fēng)壓分布曲線與國(guó)內(nèi)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)曲線較為接近，數(shù)值上要小于國(guó)外實(shí)測(cè)結(jié)果，大于國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)值，考慮到脈動(dòng)風(fēng)壓分布與實(shí)測(cè)塔所處的地形、來(lái)流湍流和周邊干擾密切相關(guān)，且本文大渦模擬獲得的脈動(dòng)風(fēng)壓分布趨勢(shì)和數(shù)值均接近并在已有的實(shí)測(cè)結(jié)果分布范圍內(nèi)。因此本文基于大渦模擬得到的脈動(dòng)風(fēng)壓具有一定的有效性，可用于后續(xù)風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程分析。

(a) 平均風(fēng)壓

(b) 脈動(dòng)風(fēng)壓

2.4.3 施工全過程平均風(fēng)荷載

圖6和圖7分別給出了超大型冷卻塔施工全過程各工況外表面壓力系數(shù)分布云圖及典型斷面數(shù)值曲線，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：①施工全過程八個(gè)典型工況塔筒的壓力系數(shù)雖數(shù)值上差異較大但是分布趨勢(shì)較為接近，這主要是由于施工高度的增長(zhǎng)并未改變圓柱形結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)繞流特性，氣流在塔筒前沿受撞擊分離形成分離泡并在塔筒側(cè)風(fēng)面逐漸脫落，最終導(dǎo)致塔筒環(huán)向僅迎風(fēng)面為正壓帶；②施工高度增長(zhǎng)顯著降低了冷卻塔側(cè)風(fēng)面與背風(fēng)面的負(fù)壓值，以成塔工況最為顯著。

(a) 工況一

(b) 工況二

(c) 工況三

(d) 工況四

(e) 工況五

(f) 工況六

(g) 工況七

(h) 工況八

分別選取0°、70°、120°及180°四個(gè)典型子午向角度分析冷卻塔施工全過程表面壓力系數(shù)分布，如圖8所示。分析得到施工高度的增長(zhǎng)對(duì)于各典型子午向角度壓力系數(shù)分布趨勢(shì)影響較小，迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面子午向風(fēng)壓呈現(xiàn)出顯著的凹凸變化，背風(fēng)面子午向風(fēng)壓均呈現(xiàn)出折疊變化的趨勢(shì)。此外，施工高度的增長(zhǎng)顯著增大了壓力系數(shù)數(shù)值分布范圍，以成塔工況最為顯著。

3 施工全過程風(fēng)振響應(yīng)分析

3.1 動(dòng)力特性演化特性

基于ANSYS有限元分析軟件二次開發(fā)，采用Shell63殼單元和Beam188梁?jiǎn)卧⒊笮屠鋮s塔不同施工階段有限元模型，采用分塊Lanczos方法對(duì)八個(gè)工況冷卻塔模型進(jìn)行動(dòng)力特性分析。圖9給出了各工況模型前50階結(jié)構(gòu)自振頻率分布曲線，成塔結(jié)構(gòu)基頻僅為0.574 Hz，不同施工階段冷卻塔自振頻率變化顯著，隨著施工高度的增長(zhǎng)冷卻塔基頻逐漸降低，且增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。

圖10給出了施工全過程不同工況前10階模態(tài)的固有頻率隨環(huán)向諧波數(shù)的變化示意圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)各工況冷卻塔的最小固有頻率均出現(xiàn)在4個(gè)環(huán)向諧波處，且隨著自振頻率的增大環(huán)向諧波數(shù)呈現(xiàn)變多的趨勢(shì)。

(a) 工況一

(b) 工況二

(c) 工況三

(d) 工況四

(e) 工況五

(f) 工況六

(g) 工況七

(h) 工況八

(a) 0°子午向

(b) 70°子午向

(c) 120°子午向

(d) 180°子午向

圖9 各工況前50階頻率分布曲線示意圖

表3給出了超大型冷卻塔施工全過程各工況冷卻塔傾覆模態(tài)列表，對(duì)比發(fā)現(xiàn)隨著施工高度的增長(zhǎng)結(jié)構(gòu)傾覆振型所在模態(tài)不斷向后推移，同時(shí)傾覆振型被激發(fā)的頻率逐漸降低。動(dòng)力特性分析表明不同施工狀態(tài)對(duì)冷卻塔頻率分布影響較大，但是對(duì)模態(tài)振型影響較小。

圖10 各工況頻率隨環(huán)向諧波數(shù)變化示意圖

表3 超大型冷卻塔施工全過程八個(gè)典型工況傾覆模態(tài)列表

3.2 施工全過程風(fēng)振響應(yīng)分析

冷卻塔結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)作用下的動(dòng)力平衡方程為

(6)

采用ANSYS中完全瞬態(tài)動(dòng)力方程求解實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻塔風(fēng)振響應(yīng)的時(shí)程分析，接合APDL語(yǔ)言將脈動(dòng)風(fēng)壓時(shí)程曲線導(dǎo)入ANSYS并施加于不同施工高度工況，采用Newmark-β法求解式(6)。進(jìn)而通過后處理獲得脈動(dòng)風(fēng)作用下冷卻塔施工全過程冷卻塔所有部位內(nèi)力與位移響應(yīng)時(shí)程。

3.2.1 塔頂位移風(fēng)振響應(yīng)

圖11給出了超大型冷卻塔施工全過程各工況塔頂迎風(fēng)面節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)功率譜。對(duì)比分析得到各工況冷卻塔結(jié)構(gòu)的背景響應(yīng)與共振響應(yīng)在頻譜上分離顯著，并且由于冷卻塔表面氣動(dòng)力荷載輸入的能量主要集中在0～0.5 Hz，不同施工階段背景響應(yīng)與共振響應(yīng)所占比例是不同的；隨著施工高度的增長(zhǎng)塔頂位移功率譜峰值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，施工高度較低時(shí)響應(yīng)譜毛刺較多。

圖11 超大型冷卻塔施工全過程塔頂迎風(fēng)面節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)譜對(duì)比圖

3.2.2 迎風(fēng)面典型內(nèi)力風(fēng)振響應(yīng)

圖12與圖13分別給出了冷卻塔子午向軸力與環(huán)向彎矩響應(yīng)均值和均方差隨施工高度變化示意圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)隨著施工高度的增長(zhǎng)，各工況冷卻塔子午向軸力和環(huán)向彎矩的均值與均方差分布范圍均不斷增長(zhǎng)，但子午向軸力與環(huán)向彎矩均值和均方差數(shù)值均隨著高度不斷減小。當(dāng)冷卻塔施工高度較低時(shí)，環(huán)向彎矩變化呈現(xiàn)出折疊減小的趨勢(shì)；冷卻塔施工高度較高時(shí)，各工況冷卻塔環(huán)向彎矩均方差在塔筒中上部出現(xiàn)突起。

(a) 子午向軸力均值

(b) 子午向軸力均方差

4 施工全過程風(fēng)振系數(shù)分析

4.1 結(jié)構(gòu)整體風(fēng)振系數(shù)分布特征

考慮冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制內(nèi)力，分別以徑向位移、子午向軸力和環(huán)向彎矩三種響應(yīng)為等效目標(biāo)計(jì)算獲得施工全過程各工況風(fēng)振系數(shù)，圖14～圖16給出了這三種等效目標(biāo)的不同工況風(fēng)振系數(shù)三維分布圖。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)單個(gè)冷卻塔不同位置的風(fēng)振系數(shù)并不統(tǒng)一，數(shù)值沿環(huán)向起伏較大，在平均風(fēng)壓較小的區(qū)域，如環(huán)向40°與120°附近，風(fēng)振系數(shù)數(shù)值往往偏大，但是由于風(fēng)壓絕對(duì)值較小的原因，導(dǎo)致該區(qū)域的風(fēng)振響應(yīng)對(duì)整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響較小。三種響應(yīng)目標(biāo)下各工況風(fēng)振系數(shù)均在環(huán)向40°與120°附近出現(xiàn)極大值，但在子午向高度上風(fēng)振系數(shù)極大值的位置有所提前或延遲。此外，未達(dá)到成塔工況時(shí)，由于沒有上部剛性環(huán)的約束，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上端出風(fēng)口風(fēng)振系數(shù)數(shù)值偏大，以子午向軸力和環(huán)向彎矩進(jìn)行風(fēng)振系數(shù)取值分析時(shí)該特征表現(xiàn)最為顯著。

(a) 環(huán)向彎矩均值

(b) 環(huán)向彎矩均方差

(a) 工況一

(b) 工況二

(c) 工況三

(d) 工況四

(e) 工況五

(f) 工況六

(g) 工況七

(h) 工況八

(a) 工況一

(b) 工況二

(c) 工況三

(d) 工況四

(e) 工況五

(f) 工況六

(g) 工況七

(h) 工況八

(a) 工況一

(b) 工況二

(c) 工況三

(d) 工況四

(e) 工況五

(f) 工況六

(g) 工況七

(h) 工況八

4.2 施工全過程風(fēng)振系數(shù)取值

下面以五種常規(guī)主流的風(fēng)振系數(shù)取值目標(biāo)討論施工全過程八個(gè)典型施工階段風(fēng)振系數(shù)的取值與變化趨勢(shì)。

等效目標(biāo)一：以迎風(fēng)面子午向軸力為目標(biāo)。冷卻塔塔筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由子午向軸力控制，冷卻塔規(guī)范的風(fēng)振系數(shù)條款也是采用這一等效目標(biāo)。

等效目標(biāo)二：以迎風(fēng)面Von Mises應(yīng)力為目標(biāo)。

等效目標(biāo)三：以響應(yīng)均值絕對(duì)值的平均值為目標(biāo)，即提取冷卻塔子午向軸力、環(huán)向彎矩及徑向位移響應(yīng)時(shí)程，統(tǒng)計(jì)各響應(yīng)的平均值，再以該平均數(shù)為閾值，扣除目標(biāo)響應(yīng)均值小于閾值所對(duì)應(yīng)的失真風(fēng)振系數(shù)。

等效目標(biāo)四：以響應(yīng)均值絕對(duì)值的最大值為目標(biāo)。

等效目標(biāo)五：以最大風(fēng)壓系數(shù)*為目標(biāo)，定義最大風(fēng)壓系數(shù)*=風(fēng)振系數(shù)×∣風(fēng)壓系數(shù)∣，找出各層最大值所對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)，然后計(jì)算每層最大風(fēng)壓系數(shù)*位置處的風(fēng)振系數(shù)。

圖17給出了五種風(fēng)振系數(shù)取值目標(biāo)下施工全過程風(fēng)振系數(shù)沿高度分布示意圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)八個(gè)施工工況下冷卻塔風(fēng)振系數(shù)沿塔高均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。針對(duì)同一個(gè)施工期模型，等效目標(biāo)五獲得的風(fēng)振系數(shù)最大，等效目標(biāo)一的風(fēng)振系數(shù)最小。不同等效目標(biāo)之間風(fēng)振系數(shù)離散性較大，綜合考慮結(jié)構(gòu)控制內(nèi)力和安全及經(jīng)濟(jì)性能，建議選取迎風(fēng)面子午向軸力為等效目標(biāo)進(jìn)行施工全過程風(fēng)振系數(shù)取值。

為方便工程實(shí)際應(yīng)用給出施工全過程風(fēng)振系數(shù)取值建議，圖18匯總給出了五種等效目標(biāo)下八個(gè)典型施工階段冷卻塔風(fēng)振系數(shù)取值。

4.3 施工全過程風(fēng)振系數(shù)擬合公式

綜上分析可知，超大型冷卻塔施工全過程風(fēng)振系數(shù)受結(jié)構(gòu)性能和風(fēng)壓分布等多種因素的影響，風(fēng)振系數(shù)隨塔高并未呈現(xiàn)出顯著的線性增長(zhǎng)關(guān)系。為方便科研、設(shè)計(jì)人員合理準(zhǔn)確采用此類超大型冷卻塔施工期風(fēng)振系數(shù)，提出超大型冷卻塔施工全過程以子午向軸力為目標(biāo)(等效目標(biāo)一，即規(guī)范等效目標(biāo))時(shí)風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算公式

(7)

式中：β0為成塔風(fēng)振系數(shù)數(shù)值，β0=1.74；m、n與k為計(jì)算參數(shù)；x為施工模板層數(shù)；y為模板層數(shù)對(duì)應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)取值。經(jīng)過多次迭代計(jì)算得到超大型冷卻塔施工全過程風(fēng)振系數(shù)擬合公式中計(jì)算參數(shù)分別為：m=2.526，n=116.511，k=1.320。圖19給出了風(fēng)振系數(shù)擬合曲線與五種等效目標(biāo)下的風(fēng)振系數(shù)數(shù)值對(duì)比圖，擬合曲線的數(shù)值及趨勢(shì)分布能夠很好地體現(xiàn)以子午向軸力為目標(biāo)時(shí)施工全過程風(fēng)振系數(shù)差異化取值。

5 結(jié) 論

本文系統(tǒng)研究了超大型冷卻塔施工全過程風(fēng)振響應(yīng)和風(fēng)振系數(shù)的演化規(guī)律，主要內(nèi)容涉及大渦模擬、動(dòng)力特性、風(fēng)振響應(yīng)、風(fēng)振系數(shù)和參數(shù)分析等。得到主要結(jié)論如下：

(1) 采用LES方法獲得了冷卻塔施工全過程三維氣動(dòng)力時(shí)程，探討了成塔迎風(fēng)面、負(fù)壓極值點(diǎn)、分離點(diǎn)及背風(fēng)面測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)特性，并將平均和脈動(dòng)風(fēng)壓與規(guī)范及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有實(shí)測(cè)曲線對(duì)比驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性。

(2) 不同施工高度對(duì)冷卻塔結(jié)構(gòu)頻率影響較大，隨著高度增加結(jié)構(gòu)自振頻率逐漸減小，同時(shí)不同模型的傾覆振型被激發(fā)的頻率逐漸降低。不同施工高度對(duì)冷卻塔模態(tài)振型影響較小，施工全過程冷卻塔的最小固有頻率均出現(xiàn)在4個(gè)環(huán)向諧波處。

(a) 工況一

(b) 工況二

(c) 工況三

(d) 工況四

(e) 工況五

(f) 工況六

(g) 工況七

(h) 工況八

圖18 五種等效目標(biāo)下八個(gè)典型施工階段冷卻塔風(fēng)振系數(shù)取值對(duì)比示意圖

(3) 隨著施工高度的增長(zhǎng)，各工況冷卻塔子午向軸力和環(huán)向彎矩的均值與均方差分布范圍均不斷增長(zhǎng)，但子午向軸力與環(huán)向彎矩均值和均方差數(shù)值均隨著高度不斷減小。當(dāng)冷卻塔施工高度較低時(shí)，環(huán)向彎矩變化呈現(xiàn)出折疊減小的趨勢(shì)；冷卻塔施工高度較高時(shí)，各工況冷卻塔環(huán)向彎矩均方差在塔筒中上部出現(xiàn)突起。

圖19 超大型冷卻塔施工全過程風(fēng)振系數(shù)擬合曲線對(duì)比示意圖

(4) 不同施工工況風(fēng)振系數(shù)沿子午向和環(huán)向變化較大，但均在環(huán)向40°與120°附近出現(xiàn)極大值，但在子午向高度上風(fēng)振系數(shù)極大值的位置有所提前或延遲。施工全過程冷卻塔風(fēng)振系數(shù)沿塔高均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，針對(duì)同一個(gè)施工期模型，等效目標(biāo)五獲得的風(fēng)振系數(shù)最大，等效目標(biāo)一的風(fēng)振系數(shù)最小。

(5) 提出了超大型冷卻塔施工全過程以子午向軸力為目標(biāo)的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算公式(如下式，其中x為施工模板層數(shù)，y為對(duì)應(yīng)施工模板層數(shù)的風(fēng)振系數(shù)取值)，簡(jiǎn)化公式能很好體現(xiàn)以子午向軸力為目標(biāo)時(shí)施工全過程風(fēng)振系數(shù)差異化取值。