李輝

摘要：以火電廠冷卻塔為例，建立了剛性地基和考慮地基、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)相互作用的三維有限元模型。通過(guò)輸入不同的地震動(dòng)，采用時(shí)程分析方法對(duì)冷卻塔進(jìn)行地震反應(yīng)分析，得到了冷卻塔在兩種情況下節(jié)點(diǎn)最大水平位移、絕對(duì)加速度隨X支柱、塔筒高度變化的規(guī)律；并對(duì)兩種情況下的地震響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，該類(lèi)構(gòu)筑物在地震作用下，相互作用的影響不容忽略。

Abstract： It's regarding the super large cooling tower of thermal power plant as the research example， and building two finite element models in rigid ground and subsoil-foundation-superstructure interaction situation. Seismic motion record is selected for inputs. Earthquake response analysis for cooling tower bay using time history analysis. The change law of two finite element models of cooling tower was obtained， that the maximal and horizontal displacement and absolute acceleration of nodes along the height of X pillar and tower drum. Comparative analysis has been made for the earthquake response of two models ， indicating that the influence of interaction does not allow to neglect for this kind of structures under the seismic effect.

關(guān)鍵詞：剛性地基；相互作用；時(shí)程分析；地震反應(yīng)分析

Key words： rigid-foundation；interaction；time history analysis；seismic response analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：O346 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）28-0144-03

0 引言

冷卻塔是大多數(shù)火力發(fā)電廠的重要組成部分，因而是生命線工程的重要結(jié)點(diǎn)之一。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，火力發(fā)電廠的建設(shè)規(guī)模不斷增大，高度高、直徑大的冷卻塔[1～2]在地震時(shí)的安全性要求越來(lái)越高，對(duì)冷卻塔的抗震性能及地震反應(yīng)開(kāi)展研究有著必要和現(xiàn)實(shí)的意義。在傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)中，地震反應(yīng)分析多采用剛性地基假定，計(jì)算模型僅考慮上部結(jié)構(gòu)，地震動(dòng)輸入采用自由場(chǎng)的地表地震動(dòng)。當(dāng)基礎(chǔ)剛度很大而上部結(jié)構(gòu)剛度很小時(shí)，剛性地基假定是合理的，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)剛度與基礎(chǔ)剛度比較接近時(shí)，剛性地基假定[3～4]對(duì)上部結(jié)構(gòu)的反應(yīng)將產(chǎn)生較大的誤差。超大型冷卻塔重量巨大，體量龐大，若建造在軟土或深厚土層地基之上，再沿用剛性地基假定進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，而忽略相互作用的影響，就會(huì)和實(shí)際情況有較大的出入。為了實(shí)際地反映地震反應(yīng)，文章結(jié)合某實(shí)際工程，對(duì)冷卻塔在剛性地基和考慮相互作用兩種情況下進(jìn)行地震反應(yīng)分析研究，并在計(jì)算分析的基礎(chǔ)上總結(jié)了冷卻塔的地震反應(yīng)規(guī)律。

1 計(jì)算理論

2 地震動(dòng)輸入及邊界條件

文章根據(jù)工程場(chǎng)地特性，選用EL-Cenero波和Taft波，根據(jù)本工程50年超越概率10%的地面地震動(dòng)峰值加速度為0.181g，將地震波的峰值調(diào)至1.77561m/s2。對(duì)于剛性地基假定下的冷卻塔，在進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，將基礎(chǔ)底端固定，直接輸入與地面自由場(chǎng)相應(yīng)的水平地震加速度記錄。對(duì)考慮相互作用的冷卻塔，下部采用無(wú)質(zhì)量地基模型[6～7]，將下部地基土四周及底端全部固定，輸入與地面自由場(chǎng)相應(yīng)的水平地震加速度記錄。所選用地震波的加速度

時(shí)程曲線如圖1所示。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

文章以某火力發(fā)電廠的冷卻塔為研究背景，進(jìn)行該工程的地震反應(yīng)分析研究。冷卻塔進(jìn)風(fēng)口高度28.4m，其進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高水平塔內(nèi)面積12000m2，塔高170.0m。喉部半徑41m，最小壁厚0.25m，最大壁厚1.70m，塔筒標(biāo)高27.5-170.0m，冷卻塔X型支柱對(duì)數(shù)取41對(duì)，支柱矩形斷面尺寸取0.9m×1.50m，標(biāo)高-0.6-27.5m，冷卻塔筒壁母線為兩段雙曲線與一直線段組成。

3.2 計(jì)算模型

文章采用有限元軟件ANSYS建立了冷卻塔在剛性地基和考慮相互作用情況下的三維有限元模型，冷卻塔樁土共同作用部分采用含群樁的樁土復(fù)合體模型[8～10]，其中純土體看作各向同性體，樁土復(fù)合體看作橫觀各向同性體。剛性地基有限元模型和相互作用有限元模型如圖2所示。

3.3 時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果

采用ANSYS軟件對(duì)冷卻塔進(jìn)行地震反應(yīng)分析，表1、2分別給出了兩種模型下塔筒、X支柱X軸線節(jié)點(diǎn)水平最大位移，其中X、Y軸線位置如圖3所示。

3.3.1 剛性地基模型計(jì)算結(jié)果

表1給出了剛性地基模型塔筒、X支柱X軸線節(jié)點(diǎn)水平最大位移的計(jì)算結(jié)果。從表1中可以看出X軸線節(jié)點(diǎn)，無(wú)論是EL-Centro波作用，還是Taft波作用，最大水平位移的變化趨勢(shì)是X支柱的水平最大位移沿高度逐漸增大，塔筒的水平最大位移沿高度逐漸減小。由于冷卻塔塔筒整體性較好，質(zhì)量、剛度比較大，而X支柱為斜支柱，質(zhì)量、剛度相對(duì)于塔筒較小，因此，變形主要集中在斜支柱上，且位移沿高度遞增；從變形上來(lái)看，X支柱為斜支柱，使得塔筒在變形上有著與支柱位移相反方向整體傾倒的現(xiàn)象，這個(gè)現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上就說(shuō)明了塔筒位移沿高度是遞減的。

冷卻塔為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，經(jīng)計(jì)算，Y軸線節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果也符合上述規(guī)律，結(jié)果不再給出。

3.3.2 相互作用模型計(jì)算結(jié)果

表2給出了相互作用模型塔筒、X支柱X軸線節(jié)點(diǎn)水平最大位移的計(jì)算結(jié)果。從表2可以看出，X軸線節(jié)點(diǎn)，無(wú)論是EL-Centro波作用，還是Taft波作用，最大水平位移的變化趨勢(shì)是X支柱的水平最大位移沿高度逐漸增大，塔筒的水平最大位移沿高度逐漸增大。這是由于考慮相互作用后，基礎(chǔ)可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使得塔筒和支柱在變形上保持一致，兩者發(fā)生相同方向的整體傾倒現(xiàn)象，且水平最大位移都沿著高度逐漸增大。

3.3.3 兩種模型對(duì)比分析

表3給出了兩種模型X軸線節(jié)點(diǎn)最大位移的數(shù)據(jù)對(duì)比。

從表3可以看出，節(jié)點(diǎn)最大位移值在考慮相互作用之后都比剛性地基假定下的結(jié)果有所增大，產(chǎn)生這樣結(jié)果的原因主要是因?yàn)樵诳紤]地基—基礎(chǔ)—上部結(jié)構(gòu)相互作用后，上部結(jié)構(gòu)的位移是由基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移所產(chǎn)生的位移與結(jié)構(gòu)本身的位移所組成。基礎(chǔ)的平移和一定的搖擺分量使得結(jié)構(gòu)在考慮相互作用后，不同高度的節(jié)點(diǎn)的最大位移值都會(huì)有所放大。

圖4給出了地震波作用下兩種模型X軸線節(jié)點(diǎn)最大位移對(duì)比圖，從圖中看到在兩種波分別作用下，相互作用模型節(jié)點(diǎn)最大位移比剛性地基模型節(jié)點(diǎn)最大位移的增大幅度的變化趨勢(shì)，即位移增大幅度沿支柱高度降低，沿塔筒高度升高。

4 結(jié)論

文章以火力發(fā)電廠的冷卻塔為研究背景，基于ANSYS建立了剛性地基和考慮相互作用兩種情況下的三維有限元模型，分別進(jìn)行不同地震動(dòng)作用下的地震反應(yīng)分析。對(duì)動(dòng)力反應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，探討了考慮相互作用后的影響。通過(guò)計(jì)算分析得出以下結(jié)論。

①冷卻塔在剛性地基情況下，節(jié)點(diǎn)最大水平位移的變化規(guī)律是：X支柱的位移沿高度逐漸增大，塔筒的位移沿高度逐漸減小。節(jié)點(diǎn)加速度放大系數(shù)的變化規(guī)律相同。②冷卻塔在考慮相互作用情況下，節(jié)點(diǎn)最大水平位移的變化規(guī)律是：X支柱的位移沿高度逐漸增大，塔筒的位移沿高度逐漸增大。節(jié)點(diǎn)加速度放大系數(shù)的變化規(guī)律相同。③冷卻塔在考慮相互作用后，節(jié)點(diǎn)最大位移值都比剛性地基情況下的對(duì)應(yīng)結(jié)果有所增大。因此，在冷卻塔抗震設(shè)計(jì)中，地基、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)相互作用的影響是不容忽視的。

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