超大型冷卻塔阻尼比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及風(fēng)振效應(yīng)影響柯世堂

柯世堂 余瑋

摘? ?要：以國(guó)內(nèi)7座大型冷卻塔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)阻尼比識(shí)別數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取其中高位收水冷卻塔為對(duì)象，基于實(shí)測(cè)阻尼比取值范圍設(shè)置4種阻尼比（分別為0.5%、1%、2%和3%）計(jì)算工況進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)完全瞬態(tài)分析，并將計(jì)算結(jié)果與規(guī)范阻尼比（5%）下的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比.在此基礎(chǔ)上，提煉出了阻尼比取值對(duì)高位收水冷卻塔風(fēng)振平均和脈動(dòng)響應(yīng)特性的影響，并基于5種風(fēng)振響應(yīng)及3種等效目標(biāo)計(jì)算了不同阻尼比下的風(fēng)振系數(shù)，探討并歸納了不同阻尼比、響應(yīng)目標(biāo)和位置對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)取值的影響規(guī)律，最終采用非線(xiàn)性最小二乘法提出了以阻尼比和子午向高度為目標(biāo)函數(shù)的風(fēng)振系數(shù)擬合公式.主要結(jié)論可為此類(lèi)高位收水冷卻塔風(fēng)振動(dòng)力分析阻尼比取值提供科學(xué)依據(jù).

關(guān)鍵詞：高位收水冷卻塔;阻尼比;風(fēng)振響應(yīng);風(fēng)振系數(shù);瞬態(tài)分析;參數(shù)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TU279.741 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Based on the identification data of damping ratios measured from seven large cooling towers in domestic and taking the high-level water cooling tower as an object， four kinds of damping ratios （0.5%， 1%， 2% and 3% respectively） were set up to calculate the wind-induced responses by complete transient analysis. The calculated results were compared with these calculated under standard damping ratio （5%）. On this basis， the influence of the damping ratio values on average and pulse responses of wind vibration of high-level water cooling tower was refined， the wind-induced vibration coefficients were calculated based on six different responses of wind vibration and three kinds of equivalent target under damping ratios. The influence law of different damping ratios， response targets and position on coefficients of wind vibration were summed up， and the damping ratio and meridian height were taken as an objective function of the wind vibration coefficients and the fitting formula was proposed by using the nonlinear least-square method. The main conclusion can be provided as references for damping ratio parameters of the high-level water cooling tower.

Key words：high-level water collecting cooling tower;damping ratio;wind-induced responses;wind-induced vibration coefficients;transient analysis;parameter analysis

隨著發(fā)電機(jī)組容量的增加和電力行業(yè)上大壓小項(xiàng)目的實(shí)施，冷卻塔朝著超大型化發(fā)展.高位收水冷卻塔由于其具有冷卻效率佳、可有效減小循環(huán)水泵的靜揚(yáng)程并降低冷卻塔淋水噪音等優(yōu)點(diǎn)[1]，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外火電工程中應(yīng)用逐漸增多，具有良好的應(yīng)用前景.冷卻塔作為典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，其阻尼比取值將直接影響風(fēng)振響應(yīng)及風(fēng)振系數(shù)的大小[2].針對(duì)大型冷卻塔的風(fēng)振特性，Murali等[3]以120 m和200 m冷卻塔為對(duì)象，探討了其內(nèi)力響應(yīng)沿環(huán)向和子午向的分布規(guī)律;鄒云鋒等[4-5]基于完全氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)冷卻塔風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明風(fēng)致變形以喉部迎風(fēng)面顯著，采用位移響應(yīng)得到的風(fēng)振系數(shù)隨著高度的增加而減小且均小于規(guī)范值，并對(duì)比了不同粗糙度對(duì)風(fēng)振響應(yīng)和風(fēng)振系數(shù)的影響;周旋等[6]基于測(cè)壓試驗(yàn)和有限元分析方法研究了雙塔布置與山地環(huán)境干擾效應(yīng)，結(jié)果表明周邊環(huán)境對(duì)干擾系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)均產(chǎn)生增大作用;趙林等[7]提出了氣彈模型等效梁格設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行了測(cè)振風(fēng)洞試驗(yàn)，探討了位移響應(yīng)風(fēng)振系數(shù)分布特性.已有研究主要采用規(guī)范阻尼比或基于模型阻尼相似理論進(jìn)行阻尼比取值，且風(fēng)振系數(shù)的取值采用單塔單一位移風(fēng)振系數(shù).然而，高聳結(jié)構(gòu)阻尼比實(shí)測(cè)研究[8-9]結(jié)果表明，對(duì)于自振周期大于1.0 s的建筑物，其實(shí)測(cè)阻尼比僅在2%左右，小于規(guī)范[10]給定的5%.實(shí)際上，冷卻塔作為典型的旋轉(zhuǎn)薄殼結(jié)構(gòu)，其阻尼比應(yīng)小于常見(jiàn)高層和高聳結(jié)構(gòu).近年來(lái)，課題組對(duì)國(guó)內(nèi)7座典型冷卻塔（安徽平圩三期濕冷塔、安徽平圩二期濕冷塔、陜西美鑫間冷塔、內(nèi)蒙古蒙西君正間冷塔、內(nèi)蒙古烏海君正間冷塔、內(nèi)蒙古烏海海神濕冷塔以及山東壽光高位收水塔）進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[11-12]，模態(tài)識(shí)別結(jié)果表明此類(lèi)大型冷卻塔阻尼比的取值范圍主要在0.5%～3%，小于規(guī)范阻尼比5%.此外，國(guó)外Winney[13]也對(duì)某114 m高的冷卻塔進(jìn)行了全尺寸現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，其測(cè)試阻尼比取值范圍在0.6%～1.5%.鑒于此，本文以課題組對(duì)國(guó)內(nèi)7座大型冷卻塔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，選取其中高位收水冷卻塔為對(duì)象，分別在0.5%、1%、2%、3%以及規(guī)范阻尼比5%下進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)完全瞬態(tài)分析，提煉出了阻尼比取值對(duì)高位收水冷卻塔風(fēng)振平均和脈動(dòng)響應(yīng)特性的影響，并基于5種風(fēng)振響應(yīng)及3種等效目標(biāo)計(jì)算了不同阻尼比下的風(fēng)振系數(shù)，探討并歸納了不同阻尼比、響應(yīng)目標(biāo)和位置對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)取值的影響規(guī)律，最終采用非線(xiàn)性最小二乘法提出了以阻尼比和子午向高度為目標(biāo)函數(shù)的風(fēng)振系數(shù)擬合公式.

1? ?現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與算例說(shuō)明

1.1? ?現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

綜合考慮高度、塔型、建設(shè)年限及所處地域等因素，課題組針對(duì)國(guó)內(nèi)7座典型高度和塔型的冷卻塔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè).圖1給出了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)7座冷卻塔全塔示意圖，表1給出了7座測(cè)試塔主要參數(shù).

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器主要包括加速度傳感器、動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)、信號(hào)傳輸導(dǎo)線(xiàn)和計(jì)算機(jī).其中傳感器選擇美國(guó)PCB壓電式低頻加速度傳感器，滿(mǎn)足采集冷卻塔低頻多向振動(dòng)信號(hào)的試驗(yàn)要求;信號(hào)采集儀為DH5927動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、采集、存儲(chǔ)和分析.為精確識(shí)別測(cè)試塔主要低階頻率和阻尼比，測(cè)試中沿冷卻塔塔筒表面子午向布設(shè)足夠數(shù)量的測(cè)點(diǎn)，圖2給出了冷卻塔測(cè)點(diǎn)布置示意圖.采用上述實(shí)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻塔結(jié)構(gòu)模態(tài)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，信號(hào)采集系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)置為5 Hz，考慮到部分測(cè)試?yán)鋮s塔高度較低，結(jié)構(gòu)自振頻率相對(duì)較大，測(cè)試中部分塔型增加了采樣頻率為20 Hz的數(shù)據(jù)采集.對(duì)冷卻塔塔筒典型部位的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了連續(xù)觀(guān)測(cè)，獲得的信號(hào)為冷卻塔受外界環(huán)境荷載激勵(lì)產(chǎn)生的加速度振動(dòng)響應(yīng).

1.2? ?實(shí)測(cè)結(jié)果

圖3給出了冷卻塔典型測(cè)點(diǎn)功率譜密度函數(shù).由圖3可看出冷卻塔多模態(tài)參與了振動(dòng)，其中個(gè)別典型模態(tài)集中了較高的能量.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所獲得的振動(dòng)加速度功率譜密度曲線(xiàn)在系統(tǒng)固有頻率處出現(xiàn)了明顯的峰值，反映了結(jié)構(gòu)自身的頻率信息.單一識(shí)別方法均可能存在丟失模態(tài)或虛假模態(tài)的情況，本文主要采用兩階段時(shí)域識(shí)別方法，首先采用隨機(jī)減量法和自然激勵(lì)法從實(shí)測(cè)響應(yīng)中提取結(jié)構(gòu)的自由響應(yīng)曲線(xiàn)或互相關(guān)函數(shù)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合ITD、STD和ARMA法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別.基于本文研究目的和篇幅，詳細(xì)的模態(tài)識(shí)別方法基本理論詳見(jiàn)文獻(xiàn)[14-18].圖4給出了7座冷卻塔前10階模態(tài)對(duì)應(yīng)的阻尼比識(shí)別結(jié)果.由圖4可知，不同冷卻塔的阻尼比取值范圍主要分布在0.5%～3%，小于規(guī)范阻尼比5%.

1.3? ?算例說(shuō)明

實(shí)測(cè)高位收水冷卻塔位于中國(guó)山東省，淋水面積為12 800 m2，塔高為190 m，喉部標(biāo)高142.5 m，進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高14.85 m，塔頂中面直徑86.88 m，喉部中面直徑84.04 m，底部直徑142.55 m，塔筒殼體采用分段等厚，最小壁厚為0.28 m，最大壁厚為1.4 m.冷卻塔塔筒由48對(duì)人字型支柱與環(huán)板基礎(chǔ)連接，人字型柱采用圓形截面，直徑為1.3 m.環(huán)板基礎(chǔ)寬為11 m，高為2 m.

基于大型通用有限元分析軟件ANSYS建立冷卻塔塔筒-支柱-環(huán)基一體化有限元模型，塔筒采用Shell63單元，環(huán)基及與環(huán)基連接的48對(duì)人字型柱均采用Beam188單元模擬.采用Block Lanczos 方法求解冷卻塔自振頻率和振型，表2給出了冷卻塔前10階自振頻率和振型.由表2可知，冷卻塔基頻為0.843 Hz，前10階頻率均在1.0 Hz以下，結(jié)構(gòu)自振頻率低且分布密集;結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜且具有明顯的三維特征，同時(shí)伴隨有子午向和環(huán)向的振動(dòng)變形.

1.4? ?參數(shù)定義及計(jì)算說(shuō)明

風(fēng)振系數(shù)的定義分成兩類(lèi)，即荷載風(fēng)振系數(shù)和響應(yīng)風(fēng)振系數(shù).本文采用響應(yīng)風(fēng)振系數(shù)，其計(jì)算公式見(jiàn)式（1）.式中：βRi表示節(jié)點(diǎn)i的響應(yīng)風(fēng)振系數(shù);Ri、Rei、Rfi分別為節(jié)點(diǎn)i的總響應(yīng)、平均響應(yīng)和脈動(dòng)響應(yīng);g為節(jié)點(diǎn)i的峰值因子，本文取為3.0[19].冷卻塔風(fēng)振響應(yīng)時(shí)域分析采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法，冷卻塔所在地區(qū)地面粗糙度類(lèi)別屬于B類(lèi)，其50年一遇10 m高10 min平均最大風(fēng)速應(yīng)為26.8 m/s，相應(yīng)風(fēng)壓為0.45 kN/m2.本文風(fēng)振時(shí)程分析中所需的冷卻塔表面多點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓時(shí)程采用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果獲得的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)文獻(xiàn)[20]，圖5給出了風(fēng)洞試驗(yàn)冷卻塔典型測(cè)點(diǎn)表面風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程曲線(xiàn).風(fēng)荷載時(shí)程分析時(shí)間步長(zhǎng)為0.224 s，時(shí)間步數(shù)設(shè)置為6 000步.

2? ?阻尼比對(duì)風(fēng)振響應(yīng)的影響

2.1? ?風(fēng)振響應(yīng)特性

圖6給出了不同阻尼比下冷卻塔風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn)，圖中徑向位移以徑向朝外為正值，朝內(nèi)為負(fù)值，軸力以拉力為正.由圖6可知，不同阻尼比下冷卻塔風(fēng)振響應(yīng)分布規(guī)律一致，阻尼比不影響風(fēng)振響應(yīng)均值，僅改變其脈動(dòng)程度.隨著阻尼比的減小，風(fēng)振響應(yīng)均方差增大.

2.2? ?脈動(dòng)響應(yīng)特性阻尼比顯著改變了風(fēng)振響應(yīng)脈動(dòng)特性，以規(guī)范阻尼比為基準(zhǔn)計(jì)算得到不同阻尼比下風(fēng)振脈動(dòng)響應(yīng)增量（增量=（阻尼比ξ%脈動(dòng)響應(yīng)-規(guī)范阻尼比脈動(dòng)響應(yīng)）/規(guī)范阻尼比脈動(dòng)響應(yīng)）×100，ξ為0.5，1，2，3）.圖7給出了規(guī)范阻尼比下塔筒風(fēng)振脈動(dòng)響應(yīng)三維分布曲線(xiàn)，圖8給出了不同阻尼比下塔筒徑向位移、子午向軸力和環(huán)向彎矩脈動(dòng)響應(yīng)增量分布云圖.對(duì)比分析可知：1）風(fēng)振脈動(dòng)與平均響應(yīng)分布顯著不同，徑向位移和子午向軸力脈動(dòng)響應(yīng)最大值主要分布在迎風(fēng)面區(qū)域，至背風(fēng)面脈動(dòng)程度逐漸減小，表明迎風(fēng)面受到風(fēng)荷載直接作用其脈動(dòng)程度顯著，環(huán)向彎矩脈動(dòng)響應(yīng)最大值主要集中在塔底和塔頂位置;2）徑向位移脈動(dòng)響應(yīng)顯著增加區(qū)域集中在塔筒中上部背風(fēng)面以及±120°位置，子午向軸力增量分布與徑向位移類(lèi)似，僅最大值出現(xiàn)區(qū)域位于塔筒中下部，說(shuō)明阻尼比改變引起壓力系數(shù)分離點(diǎn)及背風(fēng)面位置風(fēng)振脈動(dòng)程度改變顯著;3）環(huán)向彎矩增值區(qū)域主要分布在塔筒中下部且環(huán)向增值范圍較大;4）阻尼比減小引起脈動(dòng)響應(yīng)增值區(qū)域與脈動(dòng)響應(yīng)最大值區(qū)域不一致，將不會(huì)產(chǎn)生顯著放大效應(yīng);5）阻尼比減小引起脈動(dòng)響應(yīng)增量分布規(guī)律基本一致，阻尼比為0.5%時(shí)風(fēng)振脈動(dòng)響應(yīng)增量大范圍分布在10%～40%，阻尼比為1%時(shí)增量約為10%～30%，阻尼比為2%時(shí)增量為2%～8%，阻尼比3%時(shí)增量為1%～4%.支柱和環(huán)基均以軸力和徑向彎矩為主，以迎風(fēng)面編號(hào)為1順時(shí)針編號(hào).圖9給出了支柱和環(huán)基內(nèi)力不同阻尼比下脈動(dòng)響應(yīng)值及增量，其中規(guī)范阻尼比下為脈動(dòng)響應(yīng)，其他阻尼比下為增量.由圖9可知支柱內(nèi)力響應(yīng)最大位置在±15°，環(huán)基內(nèi)力脈動(dòng)響應(yīng)最大值出現(xiàn)在迎風(fēng)面附近，阻尼比減小至0.5%時(shí)脈動(dòng)響應(yīng)增加1倍左右，同時(shí)背風(fēng)面脈動(dòng)響應(yīng)的增量更加顯著.阻尼比的改變影響風(fēng)振響應(yīng)均方差從而影響響應(yīng)極值的分布，表3給出了不同阻尼比下響應(yīng)特征值及增量.由表3可知：1）塔筒平均響應(yīng)最大值對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)響應(yīng)并非最大值，此時(shí)阻尼比改變引起脈動(dòng)響應(yīng)增大，進(jìn)而極值的增加較小;2）支柱和環(huán)基平均響應(yīng)最大值對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)響應(yīng)均較大，當(dāng)阻尼比減小至0.5%時(shí)脈動(dòng)響應(yīng)增加最大為30.5%，此時(shí)響應(yīng)極值的增加較為顯著，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)高度重視由脈動(dòng)風(fēng)引起的動(dòng)力效應(yīng).

3? ?不同等效目標(biāo)下阻尼比對(duì)風(fēng)振系數(shù)的影響

風(fēng)振系數(shù)的取值隨位置的變化而改變，其中部分響應(yīng)均值很小的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)很大，從而導(dǎo)致該處風(fēng)振系數(shù)失真，偏大是由風(fēng)振系數(shù)的物理定義缺陷造成的，此類(lèi)風(fēng)振系數(shù)數(shù)值的大小并不是控制設(shè)計(jì)的根本因素.圖10給出了規(guī)范阻尼比下以塔筒不同響應(yīng)為目標(biāo)計(jì)算得到的風(fēng)振系數(shù)三維分布圖，可以看出塔筒局部出現(xiàn)了風(fēng)振系數(shù)失真點(diǎn)，此時(shí)最大數(shù)值達(dá)103數(shù)量級(jí).

3.1? ?以0°子午向響應(yīng)為目標(biāo)

冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)范[21]指出冷卻塔殼體內(nèi)力設(shè)計(jì)時(shí)，由子午向薄膜力起主要控制作用且控制部位均在殼體中下部，計(jì)算中僅考慮與脈動(dòng)風(fēng)壓不完全相關(guān)的與子午向（θ=0°）對(duì)應(yīng)的風(fēng)振系數(shù).圖11給出了以0°子午向響應(yīng)為目標(biāo)計(jì)算得到的風(fēng)振系數(shù)沿高度分布曲線(xiàn)，其中響應(yīng)類(lèi)型選取了子午向軸力和von mises 應(yīng)力.由圖11可知阻尼比增大引起脈動(dòng)響應(yīng)較大幅度地降低，而結(jié)構(gòu)平均響應(yīng)不變將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)減小，不同等效目標(biāo)風(fēng)振系數(shù)均隨著阻尼比增大而減小且減小趨勢(shì)變緩;以0°子午向不同響應(yīng)為等效目標(biāo)計(jì)算得到的風(fēng)振系數(shù)沿高度分布規(guī)律不一致，子午向軸力脈動(dòng)與平均響應(yīng)沿高度分布規(guī)律相接近，子午向軸力風(fēng)振系數(shù)沿高度逐漸增大，近塔頂高度處子午向軸力脈動(dòng)與平均響應(yīng)均減小且平均響應(yīng)的減小更顯著，從而導(dǎo)致160 m高度以上風(fēng)振系數(shù)顯著增大;以von mises應(yīng)力為等效目標(biāo)計(jì)算得到的層風(fēng)振系數(shù)沿高度呈現(xiàn)出之字形迂回分布的特征，最大層風(fēng)振系數(shù)出現(xiàn)在近塔頂位置處.

3.2? ?以響應(yīng)均值的絕對(duì)值的平均值為目標(biāo)

選取塔筒徑向位移、子午向軸力和環(huán)向彎矩為目標(biāo)響應(yīng)，風(fēng)振系數(shù)計(jì)算時(shí)以各目標(biāo)響應(yīng)均值的絕對(duì)值的平均數(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).圖12給出了不同阻尼比以響應(yīng)均值的絕對(duì)值的平均值為目標(biāo)的層風(fēng)振系數(shù)沿高度分布曲線(xiàn).由圖12可知，不同阻尼比下風(fēng)振系數(shù)分布規(guī)律基本一致，隨著阻尼比的增大風(fēng)振系數(shù)逐漸減小且減小趨勢(shì)變緩;不同響應(yīng)計(jì)算得到的風(fēng)振系數(shù)沿高度分布規(guī)律不同，內(nèi)力平均響應(yīng)隨著高度的增加而逐漸減小，徑向位移平均響應(yīng)沿高度逐漸增大，以?xún)?nèi)力響應(yīng)計(jì)算得到的風(fēng)振系數(shù)隨著高度的增加而增加，以徑向位移響應(yīng)計(jì)算得到的風(fēng)振系數(shù)隨著高度的增加而減小.

3.3? ?以響應(yīng)均值的絕對(duì)值的最大值為目標(biāo)

對(duì)目標(biāo)響應(yīng)均值取絕對(duì)值后計(jì)算其最大值，找出每層最大值所對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)，然后計(jì)算每層最大均值絕對(duì)值位置處的風(fēng)振系數(shù).圖13給出了不同阻尼比以響應(yīng)均值的絕對(duì)值的最大值為目標(biāo)的層風(fēng)振系數(shù)沿高度分布曲線(xiàn).由圖13可知，隨著阻尼比的減小風(fēng)振系數(shù)逐漸減小且減小趨勢(shì)變緩;平均徑向位移最大值位于迎風(fēng)面位置，平均和脈動(dòng)響應(yīng)均沿高度逐漸增加，以徑向位移響應(yīng)為目標(biāo)的風(fēng)振系數(shù)沿高度逐漸減小而變化連續(xù);子午向軸力均值絕對(duì)值最大出現(xiàn)在迎風(fēng)面位置，平均響應(yīng)在進(jìn)風(fēng)口高度至80 m高度處分布較均勻，80 m以上沿高度顯著減小，脈動(dòng)響應(yīng)則先增大后迅速減小;不同高度處環(huán)向彎矩均值絕對(duì)值最大值分布位置不一致，進(jìn)而層風(fēng)振系數(shù)成迂回分布.

3.4? ?不同等效目標(biāo)整體風(fēng)振系數(shù)取值

表4給出了不同阻尼比和等效目標(biāo)的風(fēng)振系數(shù)整體取值列表.由表4可知：1）以響應(yīng)均值絕對(duì)值的平均值為目標(biāo)計(jì)算得到的風(fēng)振系數(shù)較大，以0°子午向響應(yīng)和響應(yīng)均值絕對(duì)值的最大值為目標(biāo)計(jì)算得到的風(fēng)振系數(shù)較小且數(shù)值接近;2）以0°子午向響應(yīng)為等效目標(biāo)，阻尼比分別為0.5%、1%、2%和3%時(shí)風(fēng)振系數(shù)相比較規(guī)范阻尼比增加最大為6.6%、3.7%、1.6%和0.8%;3）以不同等效目標(biāo)計(jì)算得到的風(fēng)振系數(shù)，阻尼比減小為0.5%、1%、2%和3%時(shí)，風(fēng)振系數(shù)增加最大為9.1%、5.2%、1.9%和1.1%;4）規(guī)范阻尼比下整體風(fēng)振系數(shù)取值最小為1.31，最大為1.84，此時(shí)數(shù)值包絡(luò)于規(guī)范[20]風(fēng)振系數(shù)取值建議中，當(dāng)阻尼比減小為0.5%時(shí)，以環(huán)向彎矩均值絕對(duì)值的平均值為目標(biāo)風(fēng)振系數(shù)取值增大至2.00.

3.5? ?以子午向軸力為目標(biāo)響應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)擬合公式

以上研究表明，阻尼比增大引起脈動(dòng)響應(yīng)較大幅度的降低，而結(jié)構(gòu)平均響應(yīng)不變將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)減小.冷卻塔相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范[21]均只給出單一風(fēng)振系數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值，而風(fēng)振系數(shù)呈現(xiàn)明顯的三維分布特征.為方便工程研究與設(shè)計(jì)人員精確獲得大型冷卻塔風(fēng)振系數(shù)，考慮阻尼比的取值范圍，基于非線(xiàn)性最小二乘法原理，以子午向高度和阻尼比為目標(biāo)函數(shù)，擬合給出此類(lèi)大型冷卻塔以0°子午向軸力為目標(biāo)的風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算公式，公式具體定義為：

式中：ξ為阻尼比，%;h為冷卻塔的高度，m. β（ ξ，h ）為考慮阻尼比和高度的以0°子午向軸力為目標(biāo)的風(fēng)振系數(shù)，bi（i = 1，2，…，18）為擬合系數(shù)，詳見(jiàn)表5.

圖14給出了冷卻塔塔筒以子午向軸力為目標(biāo)響應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)隨阻尼比和高度變化的二維分布及擬合曲面對(duì)比圖，圖中散點(diǎn)數(shù)值為冷卻塔真實(shí)風(fēng)振系數(shù)，曲面對(duì)應(yīng)數(shù)值為根據(jù)二維擬合公式模擬得到的風(fēng)振系數(shù).

4? ?結(jié)? ?論

以某實(shí)測(cè)高位收水冷卻塔為研究對(duì)象，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)阻尼比為0.5%、1%、2%和3%以及規(guī)范阻尼比5%下進(jìn)行了風(fēng)振瞬態(tài)分析，系統(tǒng)研究了阻尼比對(duì)此類(lèi)高位收水冷卻塔風(fēng)振響應(yīng)與風(fēng)振系數(shù)的影響規(guī)律.主要結(jié)論如下：

1）不同阻尼比下冷卻塔風(fēng)振響應(yīng)分布規(guī)律一致，阻尼比的改變不影響風(fēng)振響應(yīng)均值，僅改變其脈動(dòng)程度，隨著阻尼比的減小，風(fēng)振響應(yīng)均方差增大.

2）風(fēng)振平均和脈動(dòng)響應(yīng)最大值主要集中在迎風(fēng)面，阻尼比減小引起的脈動(dòng)響應(yīng)增加顯著區(qū)域與最大值位置并不重合，塔筒脈動(dòng)響應(yīng)增加區(qū)域?qū)?yīng)壓力系數(shù)分離點(diǎn)及背風(fēng)面，支柱和環(huán)基以背風(fēng)面響應(yīng)的增值區(qū)域顯著.

3）比較冷卻塔各部位平均響應(yīng)最大值及其不同阻尼比下的脈動(dòng)響應(yīng)，較規(guī)范阻尼比下隨著阻尼比的減小脈動(dòng)響應(yīng)增加顯著，尤其是阻尼比減小至0.5%時(shí)脈動(dòng)響應(yīng)增加最大為110%，此時(shí)引起冷卻塔風(fēng)振響應(yīng)極值的增加應(yīng)引起重視.

4）隨著阻尼比的增大，節(jié)點(diǎn)的總脈動(dòng)風(fēng)振有較大幅度的降低，而結(jié)構(gòu)平均響應(yīng)不變將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)減小.以不同響應(yīng)不同等效目標(biāo)計(jì)算得到的風(fēng)振系數(shù)沿子午向分布差異顯著，其中以響應(yīng)均值絕對(duì)值的平均值為目標(biāo)的風(fēng)振系數(shù)取值較大，以0°子午向響應(yīng)和響應(yīng)均值絕對(duì)值的最大值為目標(biāo)計(jì)算得到的風(fēng)振系數(shù)接近，以不同等效目標(biāo)計(jì)算得到的風(fēng)振系數(shù)，阻尼比減小為0.5%、1%、2%和3%時(shí)，其風(fēng)振系數(shù)增加最大為9.1%、5.2%、1.9%和1.1%.

5）冷卻塔風(fēng)振系數(shù)呈現(xiàn)明顯的三維分布特征且受阻尼比影響顯著，基于非線(xiàn)性最小二乘法原理首次提出了高位收水冷卻塔風(fēng)振系數(shù)隨阻尼比和高度變化的二維擬合公式，可為此類(lèi)高位收水冷卻塔風(fēng)荷載設(shè)計(jì)參數(shù)取值提供計(jì)算依據(jù).

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收稿日期：2018-05-21

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51761165022，51208254，51878351），National Natural Science Foundation of China（51761165022， 51208254，51878351）;江蘇省優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目（BK20160083），Jiangsu Outstanding Youth Foundation（BK20160083）;中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2013M530255，1202006B），China Postdoctoral Science Foundation（2013M530255，1202006B）;江蘇高校青藍(lán)工程項(xiàng)目，Sponsored by Qing Lan Project

作者簡(jiǎn)介：柯世堂（1982—），男，安徽池州人，南京航空航天大學(xué)教授，博士

通訊聯(lián)系人，E-mail：keshitang@163.com