袁文俊 蘇 釗 房彥山

中國能源建設(shè)集團新疆電力設(shè)計院有限公司

鋼結(jié)構(gòu)雙曲線雙層網(wǎng)殼冷卻塔網(wǎng)殼型式研究

袁文俊 蘇 釗 房彥山

中國能源建設(shè)集團新疆電力設(shè)計院有限公司

本文按照某項目的冷卻塔工藝尺寸，在通用有限元軟件SAP2000中建立了鋼結(jié)構(gòu)雙曲線冷卻塔的有限元模型，并參照火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范施加了風(fēng)荷載及溫度荷載，模型采用了不同的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式進行了分析計算和桿件截面設(shè)計，通過對不同方案下的冷卻塔的內(nèi)力分布及桿件截面大小分布的對比，提出較為科學(xué)合理的鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式。

鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔；網(wǎng)殼形式

1 前言

本文按照某項目的冷卻塔工藝尺寸，在SAP2000中建立了鋼結(jié)構(gòu)雙曲線冷卻塔的有限元模型，并參照火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范施加了風(fēng)荷載及溫度荷載，模型采用了不同的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式進行了分析計算和桿件截面設(shè)計，通過對不同方案下的冷卻塔的內(nèi)力分布及桿件截面大小分布的對比，提出較為科學(xué)合理的鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔結(jié)構(gòu)型式。

2 有限元建模

2.1 冷卻塔基本工藝參數(shù)

塔高：134m

出口半徑：32m

0m半徑：52m

喉部高：97m

2.2 荷載參數(shù)

自重：只考慮桿件，未考慮球節(jié)點

基本風(fēng)壓：0.4kPa

日照陰陽面溫度差：15℃

地震作用：未考慮地震作用；

2.3 桿件截面及網(wǎng)格尺寸

桿件設(shè)計采用sap2000自帶的桿件設(shè)計功能，按中國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，桿件自動選擇型鋼庫按國標(biāo)環(huán)形截面選用。

2.4 特別說明

由于研究目的只為對比不同網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式冷卻塔之間的差異，并不用于實際工程，因此，桿件設(shè)計時并沒有按實際規(guī)范要求限制桿件的最大長細(xì)比，同時，為了增加計算分析速度，將網(wǎng)架桿件的長度取得較長(按7m左右設(shè)置)，以減小桿件數(shù)量，因此本計算結(jié)果與實際工程有差異，不適用于具體項目參考；

3 網(wǎng)架網(wǎng)格形式對比

3.1 常用的網(wǎng)架體系

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格形式主要可分為交叉桁架體系，四角錐體系和三角錐體系三類。

3.2 冷卻塔網(wǎng)殼體系選擇

一般平面網(wǎng)殼可采用周邊支承、三邊支承或兩邊支承等形式，受力主要來自平面外；與之不同，冷卻塔只有豎向底側(cè)一邊有支座，水平向形成封閉環(huán)形，受力除了風(fēng)荷載造成的面外彎矩外，主要為自重荷載及風(fēng)荷載造成的面內(nèi)力。鑒于冷卻塔網(wǎng)殼的特殊性，分別按三種基本網(wǎng)殼體系分析如下：

a.交叉桁架體系：其中的兩向網(wǎng)殼，在平面內(nèi)無斜桿的情況下需要四邊或三邊支承，否則為平面內(nèi)機動或半機動的體系，不適合以平面內(nèi)受力為主的冷卻塔，單個節(jié)點對應(yīng)的桿件偏多，也不是較好的選擇。

b. 四角錐體系：正放四角錐網(wǎng)殼最為簡單，且桿件分布最為均勻，若采用該形式建立冷卻塔模型，可作為冷卻塔的良好網(wǎng)格形式。

c.三角錐體系：本體系網(wǎng)殼屬于三向網(wǎng)格，同一節(jié)點的相交桿件較多，一般用于圓形和六邊形平面網(wǎng)殼或球面網(wǎng)殼，冷卻塔展開后接近矩形，沒必要采用該種形式；

3.3 正放四角錐網(wǎng)殼形式對比

1)對比方案。通過以上分析比較，從受力和構(gòu)件加工的方便性等方面考慮，我們選擇正放四角錐的形式作為冷卻塔的網(wǎng)殼網(wǎng)格形式，在建模中我們將正放四角錐的形式又分為兩種方案：

方案一：正放四角錐正置(即弦桿與地面水平線或垂直線平行)；方案二：正放四角錐斜置(即弦桿與地面水平線接近45度角)；2)支座附近桿件軸力及桿件設(shè)計截面對比。兩種形式冷卻塔的支座附近桿件軸力及截面設(shè)計結(jié)果簡單對比如下：(見表1)

4 網(wǎng)格形式對比結(jié)論

a.兩種網(wǎng)殼形式桿件總數(shù)量和總重量差別不大。

b.正放四角錐正置的方案中，橫向弦桿的軸力及截面很小，與其它豎向和斜向桿件的軸力及截面差別很大，說明這種方案使得網(wǎng)殼內(nèi)力集中于豎向桿件；正放四角錐斜置的方案中，橫向桿件為腹桿，截面與其它豎向和斜向桿件的差別較小，說明這種方案使得網(wǎng)殼內(nèi)各個桿件之間的內(nèi)力分布比較均勻。

c.正放四角錐正置的方案中，當(dāng)節(jié)點與支座比例大于1時，與每個支座相連的桿件數(shù)量較多，且斜向弦桿和斜向腹桿之間的角度差太小，無法采用螺栓球節(jié)點連接；正放四角錐斜置的方案中，與每個支座相連的桿件較少，且相互之間的角度較大，方便采用螺栓球節(jié)點連接。

d.通過上述比較可見，鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔采用正放四角錐斜置的網(wǎng)格形式更加合理。

[1] GB 50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.北京：中國計劃出版社，2003.

[2] DL/T5339-2006. 火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范.北京：中國電力出版社，2006.

[3] JGJ7-2010. 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4] JGJ7-91. 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程.主編單位：中國建筑科學(xué)研究院、浙江大學(xué)，1992.

表1