王　浩　　柯世堂

(南京航空航天大學(xué)土木工程系, 南京 210016)(南京航空航天大學(xué)江蘇省風(fēng)力機設(shè)計高技術(shù)研究重點實驗室, 南京 210016)

塔群干擾是影響冷卻塔抗風(fēng)安全性能的主要因素之一.近年來,冷卻塔日益朝著復(fù)雜組合布置趨勢發(fā)展,其中尤以四塔組合冷卻塔群最為常見.1965年英國渡橋電廠雙排串列四塔冷卻塔群風(fēng)毀事故調(diào)查結(jié)果表明,事故的主要誘因有：① 設(shè)計時未考慮塔群干擾效應(yīng)對倒塌冷卻塔表面風(fēng)荷載產(chǎn)生的放大作用；② 塔筒只布置了1層中央鋼筋網(wǎng),未考慮筒體彎矩作用的影響[1].由群塔干擾效應(yīng)引起的冷卻塔受力問題是困擾大型冷卻塔抗風(fēng)設(shè)計的主要問題之一,現(xiàn)有冷卻塔設(shè)計規(guī)范[2]尚未給出這方面的參考建議.

關(guān)于冷卻塔群抗風(fēng)安全性方面的研究大多為關(guān)于干擾因子的研究[3-4].然而,大型冷卻塔作為兼具大跨和高聳特性的對稱混凝土薄殼結(jié)構(gòu),抗風(fēng)安全性驗算中的相關(guān)評價方法和評價指標(biāo)并不明確.已有研究中基于不同結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo)得到的干擾效應(yīng)并不一致,甚至出現(xiàn)沖突和矛盾.文獻(xiàn)[5]通過列舉少數(shù)幾類響應(yīng)指標(biāo)嘗試性地探討了基于風(fēng)致響應(yīng)得到的干擾效應(yīng)結(jié)果,但某一特定響應(yīng)指標(biāo)能否準(zhǔn)確代替塔群干擾效應(yīng)仍值得研究.風(fēng)工程界的科研人員針對冷卻塔群局部和整體屈曲穩(wěn)定性能[6-7]進行了較為系統(tǒng)的研究,并在考慮非線性效應(yīng)的基礎(chǔ)上探討了冷卻塔強度破壞極限[8].然而,研究者們大多基于單一塔群組合進行,并未得出可直接用于指導(dǎo)四塔布置形式選擇和工程設(shè)計的規(guī)律性成果.

鑒于此,本文以在建世界最高220 m的冷卻塔為對象,分別對5種(串列、矩形、菱形、L形和斜L形)典型四塔組合方案共320個工況進行了同步測壓風(fēng)洞試驗.基于有限元方法對相應(yīng)工況進行風(fēng)致響應(yīng)計算,對比分析了布置形式、風(fēng)向角和相對位置對冷卻塔位移響應(yīng)、受力性能、局部穩(wěn)定和屈曲穩(wěn)定的影響規(guī)律.并在考慮大變形幾何非線性的基礎(chǔ)上,探討了冷卻塔在非對稱風(fēng)荷載作用下的強度破壞極限.最終歸納出可為冷卻塔四塔組合方案選取和抗風(fēng)安全性評估提供參考的研究結(jié)論.

1　風(fēng)洞試驗

1.1　工程背景

所選在建冷卻塔高度為220 m,喉部高度為165 m,進風(fēng)口高度為31 m,塔頂中面直徑為128 m,喉部中面直徑為123 m,冷卻塔底部直徑為185 m.塔筒采用64對X形支柱支撐,支柱采用矩形截面,截面尺寸為1.7 m×1.0 m.該在建冷卻塔位于B類地貌,基本風(fēng)壓為0.5 kPa.風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ涂s尺比為1∶450,采用亞克力材料制作以保證足夠的剛度和強度.沿塔筒外表面子午向均勻布置12層風(fēng)壓測點,每一測點層沿環(huán)向順時針均勻布置36個測點,共計432個測點.采用DSM3000電子壓力掃描計進行風(fēng)洞模型表面風(fēng)壓測量,采樣頻率設(shè)置為312.5 Hz.

1.2　風(fēng)場模擬與雷諾數(shù)效應(yīng)模擬

試驗用風(fēng)洞是一座閉口回流式矩形截面風(fēng)洞,主試驗段寬5 m,高4.5 m,風(fēng)速連續(xù)可調(diào),最高穩(wěn)定風(fēng)速可達(dá)30 m/s.試驗風(fēng)場按中國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]中的B類地貌模擬,風(fēng)場模擬的主要指標(biāo)為平均風(fēng)速剖面、湍流度剖面和順風(fēng)向脈動風(fēng)譜等,模擬效果見圖1.圖中,n為脈動風(fēng)頻率,Hz；Su(n)為脈動風(fēng)速功率譜,m2/s；k為地面粗糙度系數(shù)；u*為10 m高度處的平均風(fēng)速,m/s.由圖可知,風(fēng)場模擬效果較好,滿足試驗要求.

(a) 平均風(fēng)速與湍流度

(b) 脈動風(fēng)譜

為進行雷諾數(shù)效應(yīng)修正,風(fēng)洞試驗中共測試了7種粗糙度工況：① 表面光滑；② 粘貼1層36條5 mm寬粗糙紙帶；③ 粘貼2層36條5 mm寬粗糙紙帶；④ 間隔粘貼2層或3層36條5 mm寬粗糙紙帶；⑤ 粘貼3層36條5 mm寬粗糙紙帶；⑥ 間隔粘貼3層或4層36條5 mm寬粗糙紙帶；⑦ 粘貼4層36條5 mm寬粗糙紙帶.圖2給出了歸一化處理后的冷卻塔喉部高度體型系數(shù)分布曲線,并與規(guī)范[2]中的風(fēng)壓曲線進行對比.由圖可見,粘貼4層粗糙紙帶可以較好地實現(xiàn)冷卻塔雷諾數(shù)效應(yīng)模擬.最終模擬措施如圖3所示.

圖2　風(fēng)洞試驗體型系數(shù)與目標(biāo)曲線對比圖

圖3　雷諾數(shù)效應(yīng)措施圖

1.3　典型四塔布置形式

四塔風(fēng)洞試驗中采用了串列、矩形、菱形、L形和斜L形5種布置形式,每種布置形式在360°風(fēng)向角范圍內(nèi)以22.5°增量逐一測量,共320個試驗工況.冷卻塔塔間距均為2D,其中D為塔底直徑.為真實反映冷卻塔在電廠中受到的干擾效應(yīng),參考實際工程布置了多個周邊干擾建筑,各工況平面布置及冷卻塔位置信息見圖4.群塔工況中最大阻塞率為3.22%,滿足風(fēng)洞試驗標(biāo)準(zhǔn)[10]的要求.

2　風(fēng)致響應(yīng)

2.1　模型建立與模態(tài)分析

基于有限元軟件ANSYS建立了塔筒-支柱-環(huán)基的一體化模型.塔筒采用Shell63單元,其中環(huán)向256個單元,子午向128個單元.環(huán)基及與環(huán)基連接的64對X形柱均采用Beam188單元模擬,支柱與塔筒通過多點約束耦合連接,與環(huán)基通過剛性域連接.環(huán)基劃分為256個單元,環(huán)基下部采用采用Combin14單元模擬彈性地基,包括3個力彈簧單元和3個力矩彈簧單元,彈簧單元一端與環(huán)基剛性連接,另一端固結(jié)約束.該冷卻塔自振頻率較小,其基頻僅為0.542 Hz,前10階頻率均在0.8 Hz以下,結(jié)構(gòu)自振頻率低且分布密集.

2.2　對比分析

表1給出了6種典型內(nèi)力指標(biāo)下四塔布置形式對冷卻塔受力性能影響程度.由表可知,不同響應(yīng)指標(biāo)受塔群干擾效應(yīng)的影響不完全一致,四塔布置形式對塔筒環(huán)向彎矩和支柱扭矩影響較大.以塔筒環(huán)向彎矩和支柱扭矩為評價指標(biāo),最優(yōu)的布置形式均為串列布置形式,最不利的布置形式相對串列布置形式增大了50%以上.其余4種內(nèi)力指標(biāo)受四塔布置形式影響較弱,矩形和菱形布置形式有利于減少這4類內(nèi)力指標(biāo).

(a) 串列布置

(b) 矩形布置

(c) 菱形布置

(d) L形布置

(e) 斜L形布置

圖4四塔組合工況冷卻塔布置示意圖

表15種四塔布置形式對冷卻塔典型內(nèi)力指標(biāo)影響程度

內(nèi)力指標(biāo)優(yōu)先順序相對最不利布置形式的內(nèi)力增量幅度/%塔筒子午向軸力菱形、矩形、L形、斜L形、串列0，2．52，4．91，6．99，7．38塔筒環(huán)向彎矩串列、斜L形、菱形、L形、矩形0，25．74，25．99，46．15，64．85支柱軸力菱形、矩形、L形、斜L形、串列0，2．11，4．32，5．90，6．67支柱彎矩矩形、菱形、L形、串列、斜L形0，0．74，5．69，7．22，7．79支柱扭矩串列、菱形、矩形、斜L形、L形0，9．89，16．54，27．92，52．46環(huán)基彎矩菱形、矩形、串列、L形、斜L形0，0．04，1．79，2．61，3．01

統(tǒng)計5種四塔布置形式下冷卻塔群在位移和6項受力指標(biāo)下的響應(yīng)增量,并求出增量總和,結(jié)果見圖5.由圖可知,四塔布置形式下冷卻塔風(fēng)致響應(yīng)受塔群相對位置影響顯著,以往工程設(shè)計中對同一冷卻塔群采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不盡合理[11].為方便設(shè)計參考,表2給出5種典型四塔布置形式下冷卻塔群風(fēng)致響應(yīng)安全性能的優(yōu)劣關(guān)系.

(a) 串列布置形式

(b) 矩形布置形式

(c) 菱形布置形式

(d) L形布置形式

(e) 斜L形布置形式

圖5不同響應(yīng)指標(biāo)下冷卻塔風(fēng)致響應(yīng)增量圖

3　穩(wěn)定性能

3.1　局部穩(wěn)定性

圖6給出了5種四塔組合在不同風(fēng)向角下冷卻塔局部穩(wěn)定因子(KB)最小值的分布圖.圖中,串列布置形式最小KB值以柱狀圖表示,矩形、菱形、L形和斜L形組合的最小KB值均以相對串列布置形式對應(yīng)風(fēng)向角工況的增/減量表示,其值分別為ΔK2,ΔK3,ΔK4和ΔK5.由圖可知,四塔布置形式對1#塔的KB值影響較小,2#塔受布置形式影響較大.

表2　 冷卻塔群風(fēng)致響應(yīng)安全性能優(yōu)劣關(guān)系

值得注意的是,矩形、L形和斜L形布置形式均在2#塔存在KB<4.0的工況.矩形布置形式在3#塔的315°風(fēng)向角處達(dá)到最小KB值3.24.而4#塔受布置形式影響最為明顯,圖中變化量的離散程度最大,串列和菱形布置形式的最小KB值工況均發(fā)生于4#塔.

綜合可知,串列方案對于提高局部穩(wěn)定性效果最為明顯,斜L形次之,矩形、菱形和L形方案下冷卻塔局部穩(wěn)定性較串列方案明顯不利.

(a) 1#塔

(b) 2#塔

(c) 3#塔

(d) 4#塔

圖6最小KB值分布圖

3.2　整體屈曲穩(wěn)定性

圖7給出了5種四塔布置形式屈曲穩(wěn)定最不利工況對應(yīng)的屈曲模態(tài)和最大位移.此外,單塔工況冷卻塔第1階屈曲系數(shù)為9.43.在5種四塔布置形式中,菱形和L形方案下冷卻塔整體屈曲安全性較差,第1階屈曲系數(shù)相對單塔工況降低了近10%；而串列、矩形和斜L形方案對冷卻塔整體屈曲穩(wěn)定性能較為有利.

3.3　強度破壞極限

進行強度破壞極限分析時考慮冷卻塔的幾何大變形效應(yīng),由最大位移隨風(fēng)速變化斜率和混凝土壓縮極限狀態(tài)確定臨界失穩(wěn)風(fēng)速.以10 m高度處10 m/s的初始風(fēng)速作為設(shè)計基本風(fēng)速,逐級加載,加載步長為2.5～10.0 m/s.當(dāng)風(fēng)速增大至筒壁局部區(qū)域發(fā)生拉伸破壞時,冷卻塔局部區(qū)域由鋼筋承擔(dān)受拉作用.隨著風(fēng)速進一步增大,當(dāng)混凝土筒壁受壓區(qū)接近壓縮極限受力狀態(tài)時,冷卻塔靜風(fēng)變形迅速增大,達(dá)到冷卻塔的極限承載狀態(tài).

圖7　屈曲穩(wěn)定最不利工況下的屈曲系數(shù)與最大位移

圖8給出了5種四塔布置形式冷卻塔臨界風(fēng)速分布和限承載力最不利工況下冷卻塔位移及斜率隨風(fēng)速變化曲線.圖中,串列布置形式臨界風(fēng)速W1以柱狀圖表現(xiàn),矩形、菱形、L形和斜L形組合的臨界風(fēng)速均以相對串列布置形式對應(yīng)風(fēng)向角工況的變化量表示,其值分別為ΔW2,ΔW3,ΔW4和ΔW5.分析可知，串列布置形式時4座冷卻塔均在90°和270°風(fēng)向角時達(dá)到較大的臨界風(fēng)速,此時冷卻塔主要受遮擋效應(yīng)影響,串列布置形式臨界風(fēng)速最小值發(fā)生于4#塔0°風(fēng)向角工況.矩形布置形式時2#塔在270°風(fēng)向角達(dá)到最不利工況,菱形、L形和斜L形布置形式分別于247.5°,67.5°和292.5°達(dá)到極限承載力最小值,此時來流風(fēng)向?qū)κ軘_塔均產(chǎn)生明顯的不對稱峽谷效應(yīng).L形、菱形和矩形布置形式的臨界失穩(wěn)風(fēng)速僅為串列布置形式臨界失穩(wěn)風(fēng)速的65%,70%和60%.

綜合風(fēng)致響應(yīng)和穩(wěn)定性各項指標(biāo),得到5種典型四塔組合形式冷卻塔群最不利工況示意圖(見圖9),此時冷卻塔受不對稱的峽谷效應(yīng)影響.

(a) 1#塔

(b) 2#塔

(c) 3#塔

(d) 4#塔

圖8臨界風(fēng)速分布圖

圖9　最不利工況示意圖

4　結(jié)論

1) 四塔布置形式對塔筒位移響應(yīng)、塔筒環(huán)向彎矩和支柱扭矩影響較大.從風(fēng)致響應(yīng)角度綜合定性地給出了四塔布置形式優(yōu)選順序：串列、菱形、斜L形、矩形、L形.

2) 冷卻塔風(fēng)致響應(yīng)受塔群相對位置關(guān)系影響顯著,以往工程設(shè)計中對同一冷卻塔群采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不盡合理,且不同指標(biāo)下四座冷卻塔響應(yīng)極值變化趨勢并不完全一致,表現(xiàn)出塔群效應(yīng)及周邊建筑物共同作用的復(fù)雜性.

3) 串列和斜L形布置形式在局部穩(wěn)定、整體屈曲穩(wěn)定和強度破壞極限等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢.L形、菱形和矩形布置形式的臨界失穩(wěn)風(fēng)速僅為串列布置形式臨界失穩(wěn)風(fēng)速的65%,70%和60%,這3種四塔布置形式在重現(xiàn)期基本風(fēng)速較大的區(qū)域內(nèi)應(yīng)謹(jǐn)慎采用.

4) 綜合風(fēng)致響應(yīng)和穩(wěn)定性各項指標(biāo),確定了5種典型四塔布置形式冷卻塔群最不利工況.當(dāng)冷卻塔處于不對稱的峽谷效應(yīng)影響時,其綜合受力與穩(wěn)定性能顯著降低.

參考文獻(xiàn)(References)

[1] Swartz S E, Chien C C, Hu K K, et al. Tests on microconcrete model of hyperbolic cooling tower[J].ExperimentalMechanics, 1985,25(1): 12-23. DOI:10.1007/bf02329121.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB/T 50102—2014 工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2014.

[3] Niemann H J, Kopper H D. Influence of adjacent buildings on wind effects on cooling towers[J].EngineeringStructures, 1998,20(10):874-880.

[4] 柯世堂, 王浩, 余瑋. 典型四塔組合特大型冷卻塔群風(fēng)荷載干擾效應(yīng)[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2017, 45(10):1421-1428.DOI:10.11908/j.issn.0253-374x.2017.10.002.

Ke Shitang, Wang Hao, Yu Wei. Research on interference effect of wind loads for super-large cooling tower under typical four towers combinations[J].JournalofTongjiUniversity(NaturalScience), 2017,45(10):1421-1428.DOI:10.11908/j.issn.0253-374x.2017.10.002.(in Chinese)

[5] 張軍鋒, 葛耀君, 趙林. 群塔布置對冷卻塔整體風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)的不同干擾效應(yīng)[J]. 工程力學(xué), 2016, 33(8):15-23,44.DOI:10.6052/j.issn.1000-4750.2015.03.0226.

Zhang Junfeng, Ge Yaojun, Zhao Lin. Interference effects on global wind loads and wind induced responses for group hyperboloidal cooling towers[J].EngineeringMechanics, 2016,33(8):15-23,44.DOI:10.6052/j.issn.1000-4750.2015.03.0226.(in Chinese)

[6] Bamu P C, Zingoni A. Damage, deterioration and the long-term structural performance of cooling-tower shells: A survey of developments over the past 50 years[J].EngineeringStructures, 2005,27(12): 1794-1800. DOI:10.1016/j.engstruct.2005.04.020.

[7] Noh H C. Nonlinear behavior and ultimate load bearing capacity of reinforced concrete natural draught cooling tower shell[J].EngineeringStructures, 2006,28(3): 399-410. DOI:10.1016/j.engstruct.2005.08.016.

[8] Noorzaei J, Naghshineh A, Abdul Kadir M R, et al. Nonlinear interactive analysis of cooling tower-foundation-soil interaction under unsymmetrical wind load[J].Thin-WalledStructures, 2006,44(9): 997-1005. DOI:10.1016/j.tws.2006.08.019.

[9] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[10] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. JSJ/T 338—2014.建筑工程風(fēng)洞試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2014.

[11] 王浩, 柯世堂. 考慮山頂?shù)匦稳S效應(yīng)某電視塔測力風(fēng)洞試驗[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2017,48(11):2998-3005.DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2017.11.021.

Wang Hao, Ke Shitang. Wind tunnel force balance test of a TV tower structure considering three-dimensional effects of mountain topographic[J].JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology), 2017,48(11):2998-3005.DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2017.11.021.(in Chinese)