孫曉勇，袁子厚，胡新榮

(1.中南電力設計院，湖北 武漢 430071；2.湖北省服裝信息化工程技術研究中心，湖北 武漢 430073；3.山區(qū)橋梁結構與材料教育部工程研究中心(重慶交通大學)，重慶 400074；4.湖北省數(shù)字化紡織裝備重點實驗室，湖北 武漢 430073)

0 前 言

風荷載是雙曲線型冷卻塔的主要荷載之一,1965 年英國渡橋電站冷卻塔群的倒塌事故, 引起了國內(nèi)外有關專家的普遍重視，確切地給出風荷載對確保冷卻塔的安全性有著重大的意義。風振系數(shù)在結構風振分析中有著非常重要的作用，反映了隨機風荷載作用下結構的響應、振動幅度及分布規(guī)律等，也是將抗風分析與抗風設計聯(lián)系起來的直接元素。因此，確定結構風振系數(shù)對抗風設計有很大的意義。[1]本文針對一具體冷卻塔研究其風振系數(shù)。中泰化學托克遜100萬t電石新建工程冷卻塔塔高155 m，該塔為現(xiàn)澆鋼筋混凝土雙曲線型薄殼結構(如圖1)。

圖1 冷卻塔示意圖(單位：m)

由于任一高度Z處的總風荷載為平均風荷載和等效脈動風荷載的疊加，故風荷載公式可以改寫成：

ωz=ωzs+ωzd=(1+ηz)μsμzω0=βzμsμzω

式中，βz稱為風振系數(shù)，風振系數(shù)綜合考慮在風荷載作用下結構的靜力和動力效應。它是考慮脈動風作用下風致振動(風振)的風荷載對于結構時均荷載(或稱為風的靜荷載)的放大系數(shù)。具體結構的風振系數(shù)由結構本身的特性決定，確定風振系數(shù)需要通過實驗、實測或計算。

1 冷卻塔自振頻率計算

針對這個具體的冷卻塔，采用有限元軟件Abaqus計算其自振頻率、振型系數(shù)。

根據(jù)設計輸入條件，計算中的鋼筋混凝土雙曲線型薄殼結構、肋采用實體單元、柱子采用梁單元模擬。鋼筋混凝土雙曲線型薄殼結構與肋采用tie束縛約束，即鋼筋混凝土雙曲線型薄殼結構所有節(jié)點的運動與一定距離內(nèi)的肋節(jié)點的運動一致。鋼筋混凝土雙曲線型薄殼結構與柱子采用tie束縛約束，冷卻塔的整體有限元模型見圖2。

圖2 冷卻塔有限元模型

材料參數(shù)：鋼筋混凝土雙曲線型薄殼結構、肋及柱子均按線彈性材料考慮，彈性模量取32.5 GPa，泊松比取0.17，密度為2 500 kg/m3，剪切模量取11.2 GPa。

邊界條件：本次計算分析直接對柱子底部施加固端約束，即約束柱子底面節(jié)點的所有自由度。

計算得冷卻塔的第一階主振型的自振頻率(Hz)為1.6Hz，冷卻塔的第一階主振型見表1。

表1 冷卻塔的第一階主振型

2 風振系數(shù)的確定

《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[2]中規(guī)定當計算主要承重結構時，風荷載標準值應按下式計算：

wk=βzμsμzw0

式中，wk為風荷載標準值，kN/m2；βz指高度z 處的風振系數(shù)；μs為風荷載體型系數(shù)；μz為風壓高度變化系數(shù)；w0為基本風壓，kN/m2。

鑒于ω0是一定地區(qū)的基本風壓，為該地區(qū)B類地貌10m高度上風的動壓的統(tǒng)計平均值。

由《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2012)中第8.4.3條有：

式中，g為峰值因子，可取2.5；I10為10 m高度名義湍流強度，對應B類地面粗糙度可取0.14；R為脈動風荷載的共振分量因子；Bz為脈動風荷載的背景分量因子。

而脈動風荷載的共振分量因子R：

式中，f1為結構第一階主振型自振頻率，Hz，用abaqus計算得出f1=1.6；kw為地面粗糙度修正系數(shù)，對B類地面粗糙度取1.0；ζ1為結構阻尼比，對鋼筋混凝土結構可取0.05；ω0為基本風壓，kN/m2，50年一遇基本風壓為0.85 kN/m2。

脈動風荷載的背景分量因子：

式中，φ1(z)為結構第一階主振型振型系數(shù)；H為結構總高度；ρx為脈動風荷載水平方向相關系數(shù)；

k=0.910，a1=0.218(B類粗糙度)。

表2 冷卻塔風振系數(shù)

本文與我國近年來針對冷卻塔結構風振系數(shù)所取得的研究成果規(guī)律性(風振系數(shù)值隨高度的增加而減小)一致[3-4]。

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