某電廠雙曲線自然通風冷卻塔殼體結構分析

張杰

中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，中國·湖南 長沙 410001

雙曲線冷卻塔外殼；結構分析；三維模型

1 工程概況

中國天津某造紙基地自備電廠，中期規(guī)模300MW，配備兩座淋水面積為4500m2的逆流式雙曲線型自然通風冷卻塔。

本冷卻塔頂高106.6m，進風口標高6.700m。筒體采用基本等厚混凝土殼體，下部設置40 對圓截面人字柱支撐殼體?；A為預應力管樁基礎，周圈為環(huán)基承臺。人字柱下端通過截面剛度較大的支墩與環(huán)基承臺連接。樁與環(huán)基承臺連接按抗拔樁設計。冷卻塔外殼整體外形如圖1所示。

圖1 雙曲線自然通風冷卻塔外殼立面圖

工程抗震設防烈度為8 度，設計基本加速度峰值為0.2g，所屬設計地震分組為第一組。50年一遇基本風壓為0.55kPa，地面粗糙度為B 類。

本工程冷卻塔外殼采用有限元軟件MIDAS GEN 進行結構分析，選擇合適的截面及配筋，使其滿足承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)各項指標的要求[1]。

2 地基與基礎設計

工程所在地地貌類型屬沖積平原，地基土主要為粉質粘土，地基承載力偏低?？紤]到高聳結構對地基變形要求高，且此構筑物對不均勻沉降較為敏感。結合當?shù)厥┕ぜ安少彈l件，本工程考慮采用預應力管樁基礎。承臺采用周圈整體環(huán)板承臺。環(huán)板承臺中面直徑80.72m，截面4.4mx1.6m，midas模型中以板單元模擬環(huán)板承臺。

以樁所在位置節(jié)點彈性支承模擬預應力管樁的作用。依據(jù)《動力機器基礎設計規(guī)范》GB50040-96，第3.3 節(jié)，計算出樁的水平及豎向彈性支承剛度分別為：

單塔環(huán)基下設377 根φ400 預應力管樁，計算輸出最不利工況下單樁所受最大豎向力標準值為2.9kN（拔力），639.6kN（壓力），水平力標準值為69.4 kN。滿足單樁豎向及水平承載力要求。由此可見，樁以水平承載力控制。

以節(jié)點彈性支承的邊界條件模擬預應力管樁的作用，能較為真實反映樁對上部結構的作用[2]。

3 上部結構設計

3.1 支墩及人字柱

圖2 人字柱、支墩與環(huán)基承臺斷面示意

圖2為支墩及人字柱。支墩采用橢圓錐臺，截面剛度較人字柱大很多。在midas 整體模型中，以剛性連接將人字柱的下端和環(huán)基承臺相應節(jié)點連接，以此模擬支墩。對于支墩自身的計算：讀出人字柱下端彎矩、剪力、軸力，再另行驗算。本工程通過驗算，支墩為構造配筋即可。

采用放大的單獨柱墩，即兩個人字柱底部相交處以柱墩連接環(huán)板基礎，有以下兩點優(yōu)勢。

（1）柱墩剛度較大，且從上往下呈擴散趨勢，在與環(huán)板基礎連接處截面積最大。這樣能將上部殼體由人字柱傳來的較大內力擴散至環(huán)板，避免了環(huán)板局部應力集中。

（2）單獨柱墩，而不采用環(huán)形整體厚壁，避免了環(huán)形整體厚壁產生的較大的環(huán)向溫度應力，使結構趨于經(jīng)濟合理。

人字柱采用φ550 圓柱截面，周圈共40 對，預制柱。

冷卻塔人字柱通常有圓形截面和方形截面。通常認為人字柱的圓形截面，風阻系數(shù)較小，傳力更為合理，但圓形柱定位對施工要求較高。本工程由專業(yè)的冷卻塔施工隊伍施工，施工器械及精度能達到設計要求，故優(yōu)先選用圓柱截面。

在midas 模型中，定義人字柱為梁單元。通過計算分析可知，人字柱受力為軸向拉力控制。最大的軸向壓力及彎矩、剪力都不起控制作用[3]。

3.2 雙曲線旋轉面殼體

通風筒采用基本等厚混凝土殼體，最小厚度0.17m，最大厚度0.60m。塔頂殼體中面半徑23.975m；喉部標高81.805m，喉部殼體中面半徑22.680m；進風口標高6.700m，進風口殼體中面半徑37.240m。

冷卻塔外殼是很薄的殼體結構，其穩(wěn)定性是冷卻塔設計時必須關注的重點。依據(jù)《工業(yè)循環(huán)水冷卻設計規(guī)范》（GB/T50102-2003），2.6.14 條，雙曲線冷卻塔塔筒的彈性穩(wěn)定驗算按以下要求進行。

（1）整體彈性穩(wěn)定驗算

式中 KB——彈性穩(wěn)定安全系數(shù)；

qcr——塔筒屈曲臨界壓力值，kPa；

q——塔頂設計風壓值，kPa；

C——經(jīng)驗系數(shù)。其值為0.052；

E——混凝土彈性模量，kPa；

r0——塔筒喉部半徑，m；

h——塔筒喉部處壁厚，m。

將此塔各項參數(shù)代入上式，KB值為18.1，大于5，符合整體穩(wěn)定要求。

（2）局部彈性穩(wěn)定驗算：

0.8 KB(σ1 / σcr1 +σ2 / σcr2) + 0.2（KB）2[(σ1 / σcr1)2+(σ2 / σcr2)2] =1

應滿足KB≥5。

式中 KB——彈性穩(wěn)定安全系數(shù)；

σ1，σ2——由P+W+Wsog組合產生的環(huán)向、子午向壓力，其中Wsog 為內吸力引起的壓力，kPa；

σcr1，σcr2——環(huán)向，子午向的臨界壓力，kPa；

由midas 程序計算殼體各點子午向及環(huán)向壓應力，代入上式，可得到任一點的彈性安全系數(shù)KB。規(guī)范要求各點的KB不小于5，本工程經(jīng)計算知最小值為7.186。

由此可知，以上筒壁的外形及壁厚是安全可行的。同時，局部安全系數(shù)最

小值出現(xiàn)在最小壁厚0.170m 的最下面一節(jié)，設計時考慮適當加強。并且保證開洞避開此節(jié)。

由于本工程地處抗震設防烈度為8 度區(qū)，冷卻塔殼體設計時考慮不與淋水構架發(fā)生搭接關系。避免地震作用下淋水構架對殼體的撞擊破壞作用。同時也使得外殼受力更簡單直接，避免復雜應力的出現(xiàn)。

3.3 風荷載和地震荷載對冷卻塔結構作用比較

本工程所在地，基本風壓0.55kPa，抗震設防烈度為8 度。冷卻塔結構對風荷載敏感，而地震烈度8 度也不可小覷。通過對midas 模型輸入兩種荷載，比較兩種荷載對結構的作用[4]。

本工程模型中風荷載輸入按《工業(yè)循環(huán)水冷卻設計規(guī)范》 （GB/T50102-2003）之2.6.3 條：

式中ω (Z，θ)——作用在塔表面上的等效設計風荷載，kPa；

ω0——基本風壓，kPa；

Cp(θ)——平均風壓分布系數(shù)；

β——風振系數(shù)；

μz——風壓高度變化系數(shù)。

由上述公式可計算出每個高度風壓沿塔筒表面分布的情況，如圖3所示。

圖3 殼體水平截面風壓分布示意（右風）

由圖3知，最大風壓出現(xiàn)在與風向成70 度角位置，且為負壓。通過midas 對模型的計算分析，可知在風荷載作用下：

樁頂最大豎向力250.0 kN；最大水平力59.5 kN；總水平力3546.5 kN

殼體上部最大水平位移53.4mm。

按振型分解反應譜法計算水平地震作用，用于計算的地震參數(shù)如下：

分組=1，烈度=8(0.20g)，場地=III，多遇地震，Tg=0.45s，阻尼=0.05

由midas 模型分析結果如下：

樁頂最大豎向力96.9 kN；最大水平力53.5 kN；總水平力21577.0 kN

殼體上部最大水平位移10.9 mm。

以上結果，地震作用下結構總水平力明顯大于風荷載作用。對于樁頂豎向力，風荷載作用則大于地震荷載作用。同時，由殼體位移值結合midas 模型變形模態(tài)知，風荷載作用下殼體以相對變形為主，而地震作用下殼體以整體平動為主。

因此，也不能整體判斷荷載組合時考慮以何種荷載為主。也就是說，整體而言，風荷載和地震荷載不存在哪種荷載可以忽略[5]。

4 結語

Midas 模型中以節(jié)點彈性支承的邊界條件模擬預應力管樁的作用，能較為真實反映樁對上部結構的作用。同時也使模型較為簡潔，提高計算效率。本工程自然通風冷卻塔外殼，基礎以水平力控制為主。人字柱以拉力控制。自然通風冷卻塔外殼，風荷載與地震荷載不能整體判斷以何種荷載為主。對于雙曲線殼體，風荷載作用下以相對變形為主，而地震作用下以整體平動為主。