強(qiáng)風(fēng)作用下超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)失效準(zhǔn)則與強(qiáng)健性分析

王飛天 柯世堂 王曉海

摘要： 為分析超大型冷卻塔在強(qiáng)風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)失效準(zhǔn)則與強(qiáng)健性，以超規(guī)范高度限值的世界最高220 m超大型冷卻塔為例，基于ANSYS/LS?DYNA平臺(tái)建立結(jié)構(gòu)三維有限元模型，對(duì)其風(fēng)致倒塌全過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析。研究了典型風(fēng)速下位移響應(yīng)與塔筒內(nèi)力分布特性，得出最不利響應(yīng)發(fā)生的位置、數(shù)值及分布規(guī)律，探討了強(qiáng)風(fēng)下塔筒結(jié)構(gòu)“穩(wěn)定?失穩(wěn)?倒塌”全過程演化機(jī)理，并提出了強(qiáng)風(fēng)作用下冷卻塔的結(jié)構(gòu)失效準(zhǔn)則。研究發(fā)現(xiàn)：強(qiáng)風(fēng)作用下超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性最薄弱部位為迎風(fēng)面塔筒喉部區(qū)域，與上風(fēng)向夾角為-70°和70°子午向出現(xiàn)“褶皺變形”并導(dǎo)致塔頂局部結(jié)構(gòu)失效破壞，進(jìn)而引起塔筒整體結(jié)構(gòu)傾覆倒塌;塔筒應(yīng)變能密度呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，以喉部相對(duì)水平位移與喉部直徑百分比S>1%、指數(shù)應(yīng)變能密度和值破壞系數(shù)K≥0.3作為結(jié)構(gòu)失效判斷準(zhǔn)則可較好評(píng)價(jià)強(qiáng)健性指標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 超大型冷卻塔; 強(qiáng)風(fēng)作用; 連續(xù)倒塌; 失效準(zhǔn)則; 強(qiáng)健性分析

引 言

結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性[1]是由結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌極限狀態(tài)發(fā)展而來，其基本含義是結(jié)構(gòu)在施工和使用階段不發(fā)生與初始破壞原因不相稱的破壞。結(jié)合強(qiáng)風(fēng)破壞屬性和超大型冷卻塔自身特征，冷卻塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性是指在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下塔筒局部損傷失效不應(yīng)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)倒塌破壞或屈曲失穩(wěn)。1965年英國(guó)渡橋電廠和1973年蘇格蘭阿德爾曼電廠大型冷卻塔的風(fēng)毀事件[2?3]均是由局部風(fēng)荷載過大使得塔筒局部受拉損傷，進(jìn)而引發(fā)整個(gè)塔筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞和屈曲失穩(wěn)倒塌。事實(shí)上，此類由局部損壞引發(fā)的整體風(fēng)毀破壞均屬于典型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性破壞形式。然而，目前國(guó)內(nèi)外冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)范和已有研究文獻(xiàn)鮮有引入強(qiáng)健性設(shè)計(jì)理念，尤其是在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、雷暴風(fēng)等極端風(fēng)災(zāi)作用下超大型冷卻塔的破壞極限承載力狀態(tài)設(shè)計(jì)中。

針對(duì)大型冷卻塔抗風(fēng)穩(wěn)定性研究，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在靜風(fēng)失穩(wěn)[4]、整體與局部屈曲失穩(wěn)[5?8]、施工全過程穩(wěn)定性能[9]、幾何缺陷導(dǎo)致的失穩(wěn)[10]、不同氣動(dòng)措施對(duì)冷卻塔穩(wěn)定性影響[11?12]等方面，這些研究成果很好地解決了超大型冷卻塔在施工與運(yùn)營(yíng)期內(nèi)塔筒抗風(fēng)穩(wěn)定性能的問題。針對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性研究，文獻(xiàn)[13]為提升鋼管混凝土拱橋體系承載能力，從概念設(shè)計(jì)角度提出了拱橋橋面系和吊桿的強(qiáng)健性設(shè)計(jì)方案;文獻(xiàn)[14?16]針對(duì)不同形式的橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于構(gòu)件拆除計(jì)算方法，確定橋梁的主要構(gòu)件并系統(tǒng)研究了主要構(gòu)件破壞對(duì)其余結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力響應(yīng)，提出了增強(qiáng)橋梁強(qiáng)健性的措施;文獻(xiàn)[17]制定和實(shí)施了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)性能標(biāo)準(zhǔn)，建立了結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性概念及網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo);文獻(xiàn)[18]針對(duì)中、下承式拱橋技術(shù)狀況評(píng)定中的不足，提出考慮懸吊橋面系強(qiáng)健性的技術(shù)狀況評(píng)定方法更能反映橋梁的實(shí)際狀況，適應(yīng)維護(hù)管理需求。盡管結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性研究已有開展，但是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性的研究多針對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)方向，而對(duì)于大型冷卻塔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)強(qiáng)健性分析處于空白階段。

鑒于此，本文以已建成的世界最高的220 m山西潞安電廠大型冷卻塔為工程背景，基于ANSYS/LS?DYNA平臺(tái)對(duì)超大型冷卻塔進(jìn)行精細(xì)化建模和風(fēng)致倒塌全過程數(shù)值仿真。在此基礎(chǔ)上，探討了強(qiáng)風(fēng)作用下冷卻塔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性能，分析了塔筒在強(qiáng)風(fēng)作用下的變形、位移與內(nèi)力響應(yīng)規(guī)律，揭示塔筒結(jié)構(gòu)“穩(wěn)定?失穩(wěn)?倒塌”全過程的強(qiáng)健性薄弱部位和連續(xù)性倒塌演化機(jī)理，最終提出超大型冷卻塔在強(qiáng)風(fēng)激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)失效準(zhǔn)則。

1 工程概況和有限元建模

1.1 工程概況

山西潞安電廠超大型冷卻塔是目前世界已建的最高的冷卻塔，主體結(jié)構(gòu)由地基、環(huán)基、支柱和塔筒構(gòu)成，塔高220.0 m，進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高30.75 m，喉部標(biāo)高165.0 m，底部直徑185.0 m，喉部直徑123.0 m，頂部出風(fēng)口直徑128.1 m，塔筒殼體為指數(shù)變厚，最小與最大壁厚為0.34和1.85 m，由64榀X支柱與環(huán)板基礎(chǔ)連接，X型支柱采用矩形截面（尺寸為1.70 m× 1.00 m）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，環(huán)板基礎(chǔ)為寬10.5 m，高2.20 m現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

1.2 有限元建模

基于ANSYS/LS?DYNA平臺(tái)建立該超大型冷卻塔的三維有限元足尺模型，其中塔筒及頂部剛性環(huán)采用殼單元（Shell163），環(huán)向和子午向分別劃分為256和128個(gè)單元;塔筒下部64榀X型支柱均采用空間梁?jiǎn)卧˙eam161），X支柱上端與塔筒底部采用節(jié)點(diǎn)剛域耦合方式連接，支柱下端固支作為模型邊界條件，如圖1所示。

考慮到冷卻塔塔筒環(huán)向與縱向配筋率較大，鋼筋的強(qiáng)大拉接力使塔壁形成整體受力良好的聯(lián)合體，此種聯(lián)合體可將局部荷載“稀釋”，在本構(gòu)關(guān)系上塑性特點(diǎn)突出。因此，基于材料的塑性隨動(dòng)理論，塔壁與支柱均采用塑性隨動(dòng)材料模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC），在硬化模式上采用完全隨動(dòng)硬化模式，即β=0;接觸類型采用適應(yīng)性較強(qiáng)的自動(dòng)單面接觸， 材料摩擦系數(shù)設(shè)定為0.25。具體參數(shù)如表2所示。

1.3 動(dòng)力特性分析

圖2給出ANSYS/LS?DYNA與文獻(xiàn)[19?21]中已有的超大型冷卻塔模型前100階自振頻率隨振型階數(shù)變化對(duì)比曲線。前者采用顯式單元Shell163和Beam161建立冷卻塔模型，后者采用隱式單元Shell63和Beam188建立冷卻塔模型。對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩種建模方法下自振頻率趨勢(shì)相同，大致呈線性增長(zhǎng)，0?60階范圍內(nèi)兩種計(jì)算結(jié)果基本一致，隨著階數(shù)的增長(zhǎng)二者的差異有所增大，第100階自振頻率僅相差4%;自振頻率分布密集，基頻僅為0.58 Hz，前50階振型頻率集中分布在0.58?1.56 Hz之間，說明ANSYS/LS?DYNA超大型冷卻塔有限元模型具有一定的有效性。

圖3給出冷卻塔結(jié)構(gòu)前100階典型模態(tài)振型圖，分析發(fā)現(xiàn)塔筒振型在環(huán)向和子午向差異較大，隨著階數(shù)增大，環(huán)向和子午向諧波數(shù)顯著增加;低階振型子午向呈現(xiàn)1?3個(gè)諧波，環(huán)向呈現(xiàn)6?12個(gè)諧波，且多以塔頂振動(dòng)為主。

2 風(fēng)致響應(yīng)分析

該超大型冷卻塔平均風(fēng)壓系數(shù)按光滑塔取值，地貌類型為B類，設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為23.7 m/s。以-0.5的內(nèi)壓系數(shù)考慮塔筒內(nèi)吸力效應(yīng)[22]，以10 m高度處25 m/s的初始風(fēng)速為基礎(chǔ)進(jìn)行逐級(jí)加載，加載風(fēng)速步長(zhǎng)為5 m/s，時(shí)程分析步長(zhǎng)為0.5 s。大型冷卻塔在強(qiáng)風(fēng)作用下，其結(jié)構(gòu)的破壞形式是類似屈曲模態(tài)下的材料破壞，可將風(fēng)荷載視為一種等效靜風(fēng)荷載。為了降低加載過程中的動(dòng)力效應(yīng)，防止出現(xiàn)類似沖擊荷載的效應(yīng)，將平均風(fēng)壓在20 s內(nèi)線性遞增形成時(shí)程分析輸入所需的風(fēng)荷載，再以點(diǎn)荷載加載到塔筒相應(yīng)的加載點(diǎn)。

2.1 位移響應(yīng)

圖4分別給出25 m/s，50 m/s和75 m/s三種典型風(fēng)速下塔筒順風(fēng)向位移三維圖和最大位移時(shí)程曲線。分析可知三種典型風(fēng)速只引起殼體的結(jié)構(gòu)變形，冷卻塔未發(fā)生倒塌;變形主要發(fā)生在與上風(fēng)方向夾角-70°?70°的喉部區(qū)域，塔筒背風(fēng)面變形較小;25和50 m/s風(fēng)速下的塔筒最大位移均出現(xiàn)在迎風(fēng)面喉部，隨著殼體厚度的增加，喉部上、下變形逐漸減小;75 m/s風(fēng)速下最大位移位置有所下降但依然出現(xiàn)在迎風(fēng)面塔筒中上部;冷卻塔塔筒在風(fēng)荷載激勵(lì)的初始階段會(huì)出現(xiàn)外加瞬態(tài)激勵(lì)引起的瞬態(tài)振動(dòng)，最大位移?時(shí)程曲線表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)狀態(tài)。風(fēng)荷載作用5 s后，隨著系統(tǒng)阻尼的影響，瞬態(tài)振動(dòng)逐漸衰弱，最大位移?時(shí)程曲線趨于平穩(wěn)，且最大位移分別為0.08，0.3和2.0 m，表明超大型冷卻塔塔筒在風(fēng)荷載的作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 內(nèi)力響應(yīng)

圖5和6分別給出了25， 50和75 m/s三種典型風(fēng)速下塔筒子午向應(yīng)力三維等勢(shì)線圖和0°子午向應(yīng)力隨高度的變化曲線，圖中正值表示拉應(yīng)力，分析可知不同風(fēng)速下的子午向應(yīng)力三維等勢(shì)線圖具有對(duì)稱性，分布模式相同，變化幅度不同，塔筒子午向應(yīng)力隨風(fēng)速的增加而增大。0°子午向應(yīng)力主要集中于塔體中下部，且三種風(fēng)速下應(yīng)力均未超過屈服應(yīng)力，塔筒仍處于直立穩(wěn)定狀態(tài);沿子午向高度，塔筒底部至中部應(yīng)力較大，頂部應(yīng)力較小，接近于零值;沿環(huán)向角度，0°?45°子午線應(yīng)力為正，45°?110°應(yīng)力為負(fù)，背風(fēng)面110°?180°子午向應(yīng)力為較小的正值。

3 強(qiáng)健性分析與失效準(zhǔn)則

3.1 強(qiáng)健性分析

3.1.1 臨界倒塌風(fēng)速

首先，給出超大型冷卻塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性定義：冷卻塔結(jié)構(gòu)在承受強(qiáng)（臺(tái)）風(fēng)、雷暴風(fēng)或龍卷風(fēng)等極端事件時(shí)，局部構(gòu)件的損傷失效或破壞不應(yīng)導(dǎo)致塔筒整體出現(xiàn)影響使用的連續(xù)倒塌或屈曲失穩(wěn)。然后，確定冷卻塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性分析的內(nèi)容，包括強(qiáng)風(fēng)作用下塔筒倒塌機(jī)理、塔筒結(jié)構(gòu)的臨界倒塌風(fēng)速、塔筒連續(xù)倒塌全過程及強(qiáng)健性薄弱位置。

基于增量動(dòng)力分析（IDA）方法對(duì)塔筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析，圖7給出不同風(fēng)速下0°子午線塔頂、喉部和塔底部位的順風(fēng)向位移變化曲線。分析可知風(fēng)速低于70 m/s時(shí)，三個(gè)不同部位的順風(fēng)向位移隨風(fēng)速基本呈線性關(guān)系，70?80 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)順風(fēng)向位移隨風(fēng)速呈非線性關(guān)系，風(fēng)速為85 m/s時(shí)三個(gè)不同部位的順風(fēng)向位移出現(xiàn)4?10倍突增，并且在80 m/s風(fēng)速時(shí)三個(gè)不同部位的順風(fēng)向位移均出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)（圖中U點(diǎn)）。同時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果顯示當(dāng)風(fēng)速大于80 m/s時(shí)超大型冷卻塔塔筒出現(xiàn)失穩(wěn)而整體倒塌，可判定超大型冷卻塔的臨界倒塌風(fēng)速為80 m/s。

為驗(yàn)證冷卻塔數(shù)值模擬倒塌的有效性，以文獻(xiàn)[4]對(duì)英國(guó)研究者Der的冷卻塔高壓風(fēng)洞穩(wěn)定性試驗(yàn)的介紹和再現(xiàn)計(jì)算進(jìn)行對(duì)比。圖8給出Der試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪Х€(wěn)形態(tài)與本文數(shù)值模擬失穩(wěn)形態(tài)對(duì)比圖?？芍呔哂邢嗤氖Х€(wěn)形態(tài)，環(huán)向變形均與塔筒風(fēng)壓分布曲線類似，并且Der風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑褪Х€(wěn)風(fēng)速均達(dá)到87 m/s以上甚至達(dá)到百米級(jí)風(fēng)速，由此可知本文的冷卻塔數(shù)值模擬臨界倒塌風(fēng)速為80 m/s具有一定的有效性。

3.1.2 連續(xù)性倒塌全過程

圖9給出超大型冷卻塔塔筒連續(xù)性倒塌發(fā)展全過程。在強(qiáng)風(fēng)作用初始，塔筒中部最先產(chǎn)生變形，與上風(fēng)向夾角-70°?70°范圍內(nèi)塔筒呈現(xiàn)凹形，橫風(fēng)向兩側(cè)呈現(xiàn)凸形，環(huán)向變形與風(fēng)壓分布曲線一致;t=5.99 s至t=9.49 s塔筒順風(fēng)向凹陷程度增大，最大變形位置逐漸上升，內(nèi)吸力作用導(dǎo)致環(huán)向70°?110°和250°?290°范圍沿橫風(fēng)向凹陷;t=9.49 s時(shí)最大變形部位由塔筒中部上升至喉部區(qū)域，且與上風(fēng)向夾角-70°和70°子午向的塔筒中部出現(xiàn)“褶皺變形”，塔筒因剪切撕裂出現(xiàn)豎向裂縫，但冷卻塔整體仍保持直立狀態(tài);t=10.49 s至t=12.49 s喉部結(jié)構(gòu)單元失效，塔筒變形凹陷程度不斷增大，最大變形位置逐漸上升，最終引起塔頂局部構(gòu)件破壞，塔筒和支柱出現(xiàn)明顯的幾何大變形，冷卻塔整體進(jìn)入傾覆狀態(tài);t=17.49 s時(shí)塔筒傳力路徑發(fā)生嚴(yán)重破壞，超大型冷卻塔塔筒因無法繼續(xù)承受強(qiáng)風(fēng)作用而發(fā)生連續(xù)性倒塌。

由此可以得知，在強(qiáng)風(fēng)作用下，塔筒喉部區(qū)域?yàn)槌笮屠鋮s塔的強(qiáng)健性最薄弱部位。喉部結(jié)構(gòu)局部破壞失效使冷卻塔整體承載力降低，導(dǎo)致大型冷卻塔整體從直立穩(wěn)定狀態(tài)迅速進(jìn)入傾覆倒塌狀態(tài)。

3.2 失效準(zhǔn)則

進(jìn)行超大型冷卻塔在強(qiáng)風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性分析，必須判斷出在何種條件下塔筒結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失效而破壞。目前，主要通過以下幾種分析準(zhǔn)則來判斷結(jié)構(gòu)的失效：變形失效準(zhǔn)則[23]、強(qiáng)度失效準(zhǔn)則、能量失效準(zhǔn)則[24]、變形和能量雙重失效準(zhǔn)則。本文從變形和能量?jī)蓚€(gè)角度提出超大型冷卻塔的結(jié)構(gòu)失效判別準(zhǔn)則。其中，變形失效準(zhǔn)則以塔筒喉部相對(duì)水平位移為目標(biāo)，分析不同風(fēng)速下的喉部相對(duì)水平位移與喉部直徑的比例關(guān)系;能量失效準(zhǔn)則以塔筒整體所有單元的應(yīng)變能密度和值為目標(biāo)，分析塔筒應(yīng)變能密度和值增長(zhǎng)速度在不同風(fēng)速下的發(fā)展規(guī)律。

3.2.1 變形失效準(zhǔn)則

大型冷卻塔的強(qiáng)健性薄弱位置為迎風(fēng)面塔筒喉部區(qū)域，塔筒喉部的相對(duì)變形直接影響冷卻塔的完整性。美國(guó)DOD2010規(guī)范[25]將結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌判定準(zhǔn)則定義為部分構(gòu)件發(fā)生初始破壞后，剩余結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不能出現(xiàn)規(guī)定的極限變形。文獻(xiàn)[23]依據(jù)該規(guī)范對(duì)混凝土框架的連續(xù)倒塌失效準(zhǔn)則規(guī)定為梁兩端的相對(duì)豎向位移達(dá)到跨度的1/5，依據(jù)DOD2010規(guī)范及文獻(xiàn)[20]的研究思路分析超大型冷卻塔喉部相對(duì)水平位移與喉部直徑的比例關(guān)系。

表3給出不同風(fēng)速、不同時(shí)間點(diǎn)塔筒喉部迎風(fēng)面與背風(fēng)面的相對(duì)水平位移（Dr）與喉部中面直徑（R）的百分比（S）。圖10給出不同風(fēng)速、不同時(shí)間點(diǎn)S?V0變化曲線。分析可知不同時(shí)間點(diǎn)的相對(duì)水平位移與風(fēng)速基本呈線性關(guān)系，塔筒處于彈性變形階段，冷卻塔整體處于小變形范圍。風(fēng)速低于75 m/s時(shí)，喉部相對(duì)水平位移與喉部直徑的百分比均小于1%。當(dāng)風(fēng)速大于75 m/s時(shí)，喉部相對(duì)水平位移與喉部直徑的百分比呈現(xiàn)急劇增加，表現(xiàn)出明顯的拐點(diǎn)（圖中P點(diǎn)），冷卻塔結(jié)構(gòu)的單元開始出現(xiàn)失效，強(qiáng)風(fēng)持續(xù)作用將導(dǎo)致塔筒出現(xiàn)連續(xù)倒塌。

3.1.1節(jié)的數(shù)值模擬結(jié)果表明風(fēng)速達(dá)到80 m/s時(shí)超大型冷卻塔塔筒出現(xiàn)失穩(wěn)而整體倒塌，在此基礎(chǔ)上，以1%作為臨界點(diǎn)來判斷超大型冷卻塔塔筒是否出現(xiàn)失穩(wěn)而倒塌。即冷卻塔塔筒處于正常工作狀態(tài)時(shí)，塔筒喉部迎風(fēng)面、背風(fēng)面的相對(duì)水平位移與喉部直徑的百分比S1%;當(dāng)S>1%時(shí)，塔筒進(jìn)入結(jié)構(gòu)單元失穩(wěn)狀態(tài)。

3.2.2 能量失效準(zhǔn)則

考慮到能量可以較好表征地震、強(qiáng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的真實(shí)彈塑性性能，引入能量法研究強(qiáng)風(fēng)作用下超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)倒塌破壞與失效準(zhǔn)則。依據(jù)文獻(xiàn)[26]對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)失效準(zhǔn)則的研究，分析超大型冷卻塔塔筒在不同風(fēng)速激勵(lì)下的塔筒應(yīng)變能密度和值Pd?；贚S?Prepost有限元軟件提取不同荷載域、不同時(shí)程下塔筒全部單元的應(yīng)變能及應(yīng)變能密度。

表4列出數(shù)值模擬過程中t=20 s時(shí)不同風(fēng)速（V0）下冷卻塔模型所有單元的應(yīng)變能密度和值（Pd）。并采用MATLAB對(duì)不同風(fēng)速下所有單元的應(yīng)變能密度和值分布規(guī)律進(jìn)行擬合，得到擬合公式如下式所示

分析可知數(shù)值模擬與擬合公式（2）的應(yīng)變能密度和值關(guān)系曲線基本吻合，擬合效果較好;超大型冷卻塔在強(qiáng)風(fēng)作用t=20 s時(shí)所有單元的應(yīng)變能密度隨著風(fēng)速的增大而增加;當(dāng)風(fēng)速低于80 m/s時(shí)，冷卻塔在不同風(fēng)速作用下的應(yīng)變能密度和值Pd符合指數(shù)律增長(zhǎng)趨勢(shì)，應(yīng)變能密度增長(zhǎng)速度較小;當(dāng)風(fēng)速增大至某一值，冷卻塔應(yīng)變能密度和值出現(xiàn)突增現(xiàn)象，表現(xiàn)出明顯的拐點(diǎn)（圖中T點(diǎn)），此時(shí)，數(shù)值模擬的Pd?V0關(guān)系曲線斜率從0.30突變?yōu)?.11。

基于Pd?V0關(guān)系曲線的分析，以Pd?V0關(guān)系曲線的斜率進(jìn)行度量，提出判別超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)失效的指數(shù)應(yīng)變能密度和值破壞系數(shù)K，表達(dá)式如下式所示

圖12給出不同風(fēng)速下的K?V0關(guān)系曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)在風(fēng)速達(dá)到80 m/s時(shí)，破壞系數(shù)K出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)（圖中V點(diǎn)），3.1.1節(jié)的數(shù)值模擬結(jié)果表明風(fēng)速達(dá)到80 m/s時(shí)超大型冷卻塔塔筒出現(xiàn)失穩(wěn)而整體倒塌。因此，以拐點(diǎn)處破壞系數(shù)作為臨界點(diǎn)來判斷超大型冷卻塔塔筒是否出現(xiàn)失穩(wěn)而倒塌。即當(dāng)冷卻塔塔筒處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，K位于0?0.3之間。K ≥0.3時(shí)，超大型冷卻塔在強(qiáng)風(fēng)作用下進(jìn)入結(jié)構(gòu)單元失穩(wěn)狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文系統(tǒng)開展了強(qiáng)風(fēng)作用下超大型冷卻塔倒塌全過程數(shù)值模擬與破壞機(jī)理研究，內(nèi)容涉及動(dòng)力特性、風(fēng)致響應(yīng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性和失效判別準(zhǔn)則。主要結(jié)論如下：

（1）基于ANSYS/LS?DYNA顯式結(jié)構(gòu)單元建立超大型冷卻塔有限元模型，與已有的超大型冷卻塔模型自振頻率結(jié)果基本一致，發(fā)展趨勢(shì)相同，最大差異僅為4%，驗(yàn)證了本文ANSYS/LS?DYNA冷卻塔模型的有效性。

（2）最不利順風(fēng)向位移響應(yīng)位置出現(xiàn)在超大型冷卻塔迎風(fēng)面喉部區(qū)域，沿高度方向塔筒子午向應(yīng)力逐漸減小，不同風(fēng)速下0°子午向應(yīng)力集中分布于塔筒中部，塔頂應(yīng)力最小，接近于零值。

（3）超大型冷卻塔臨界倒塌基本風(fēng)速達(dá)到80 m/s，結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性最薄弱部位發(fā)生在喉部區(qū)域;喉部結(jié)構(gòu)單元局部破壞失效引發(fā)與上風(fēng)向夾角為-70°和70°子午向塔筒中部發(fā)生“褶皺變形”，冷卻塔從直立狀態(tài)進(jìn)入傾覆狀態(tài)，塔頂局部結(jié)構(gòu)失效破壞激發(fā)超大型冷卻塔出現(xiàn)連續(xù)性倒塌。

（4）超大型冷卻塔塔筒應(yīng)變能密度隨風(fēng)速增加呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，喉部相對(duì)水平位移與喉部直徑百分比（S）和塔筒應(yīng)變能密度和值（Pd）在風(fēng)速增長(zhǎng)過程中均出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn);基于變形和能量失效準(zhǔn)則，初步提出了喉部相對(duì)水平位移與喉部直徑百分比S>1%、指數(shù)應(yīng)變能密度和值破壞系數(shù)K≥0.3作為超大型冷卻塔在強(qiáng)風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)失效準(zhǔn)則。

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