張杰

中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，中國·湖南 長沙 410001

雙曲線冷卻塔外殼；結(jié)構(gòu)分析；三維模型

1 工程概況

中國天津某造紙基地自備電廠，中期規(guī)模300MW，配備兩座淋水面積為4500m2的逆流式雙曲線型自然通風(fēng)冷卻塔。

本冷卻塔頂高106.6m，進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高6.700m。筒體采用基本等厚混凝土殼體，下部設(shè)置40 對圓截面人字柱支撐殼體。基礎(chǔ)為預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，周圈為環(huán)基承臺。人字柱下端通過截面剛度較大的支墩與環(huán)基承臺連接。樁與環(huán)基承臺連接按抗拔樁設(shè)計。冷卻塔外殼整體外形如圖1所示。

圖1 雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔外殼立面圖

工程抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計基本加速度峰值為0.2g，所屬設(shè)計地震分組為第一組。50年一遇基本風(fēng)壓為0.55kPa，地面粗糙度為B 類。

本工程冷卻塔外殼采用有限元軟件MIDAS GEN 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，選擇合適的截面及配筋，使其滿足承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)的要求[1]。

2 地基與基礎(chǔ)設(shè)計

工程所在地地貌類型屬沖積平原，地基土主要為粉質(zhì)粘土，地基承載力偏低?？紤]到高聳結(jié)構(gòu)對地基變形要求高，且此構(gòu)筑物對不均勻沉降較為敏感。結(jié)合當(dāng)?shù)厥┕ぜ安少彈l件，本工程考慮采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)。承臺采用周圈整體環(huán)板承臺。環(huán)板承臺中面直徑80.72m，截面4.4mx1.6m，midas模型中以板單元模擬環(huán)板承臺。

以樁所在位置節(jié)點(diǎn)彈性支承模擬預(yù)應(yīng)力管樁的作用。依據(jù)《動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50040-96，第3.3 節(jié)，計算出樁的水平及豎向彈性支承剛度分別為：

單塔環(huán)基下設(shè)377 根φ400 預(yù)應(yīng)力管樁，計算輸出最不利工況下單樁所受最大豎向力標(biāo)準(zhǔn)值為2.9kN（拔力），639.6kN（壓力），水平力標(biāo)準(zhǔn)值為69.4 kN。滿足單樁豎向及水平承載力要求。由此可見，樁以水平承載力控制。

以節(jié)點(diǎn)彈性支承的邊界條件模擬預(yù)應(yīng)力管樁的作用，能較為真實(shí)反映樁對上部結(jié)構(gòu)的作用[2]。

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 支墩及人字柱

圖2 人字柱、支墩與環(huán)基承臺斷面示意

圖2為支墩及人字柱。支墩采用橢圓錐臺，截面剛度較人字柱大很多。在midas 整體模型中，以剛性連接將人字柱的下端和環(huán)基承臺相應(yīng)節(jié)點(diǎn)連接，以此模擬支墩。對于支墩自身的計算：讀出人字柱下端彎矩、剪力、軸力，再另行驗(yàn)算。本工程通過驗(yàn)算，支墩為構(gòu)造配筋即可。

采用放大的單獨(dú)柱墩，即兩個人字柱底部相交處以柱墩連接環(huán)板基礎(chǔ)，有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢。

（1）柱墩剛度較大，且從上往下呈擴(kuò)散趨勢，在與環(huán)板基礎(chǔ)連接處截面積最大。這樣能將上部殼體由人字柱傳來的較大內(nèi)力擴(kuò)散至環(huán)板，避免了環(huán)板局部應(yīng)力集中。

（2）單獨(dú)柱墩，而不采用環(huán)形整體厚壁，避免了環(huán)形整體厚壁產(chǎn)生的較大的環(huán)向溫度應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)趨于經(jīng)濟(jì)合理。

人字柱采用φ550 圓柱截面，周圈共40 對，預(yù)制柱。

冷卻塔人字柱通常有圓形截面和方形截面。通常認(rèn)為人字柱的圓形截面，風(fēng)阻系數(shù)較小，傳力更為合理，但圓形柱定位對施工要求較高。本工程由專業(yè)的冷卻塔施工隊伍施工，施工器械及精度能達(dá)到設(shè)計要求，故優(yōu)先選用圓柱截面。

在midas 模型中，定義人字柱為梁單元。通過計算分析可知，人字柱受力為軸向拉力控制。最大的軸向壓力及彎矩、剪力都不起控制作用[3]。

3.2 雙曲線旋轉(zhuǎn)面殼體

通風(fēng)筒采用基本等厚混凝土殼體，最小厚度0.17m，最大厚度0.60m。塔頂殼體中面半徑23.975m；喉部標(biāo)高81.805m，喉部殼體中面半徑22.680m；進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高6.700m，進(jìn)風(fēng)口殼體中面半徑37.240m。

冷卻塔外殼是很薄的殼體結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性是冷卻塔設(shè)計時必須關(guān)注的重點(diǎn)。依據(jù)《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范》（GB/T50102-2003），2.6.14 條，雙曲線冷卻塔塔筒的彈性穩(wěn)定驗(yàn)算按以下要求進(jìn)行。

（1）整體彈性穩(wěn)定驗(yàn)算

式中 KB——彈性穩(wěn)定安全系數(shù)；

qcr——塔筒屈曲臨界壓力值，kPa；

q——塔頂設(shè)計風(fēng)壓值，kPa；

C——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。其值為0.052；

E——混凝土彈性模量，kPa；

r0——塔筒喉部半徑，m；

h——塔筒喉部處壁厚，m。

將此塔各項(xiàng)參數(shù)代入上式，KB值為18.1，大于5，符合整體穩(wěn)定要求。

（2）局部彈性穩(wěn)定驗(yàn)算：

0.8 KB(σ1 / σcr1 +σ2 / σcr2) + 0.2（KB）2[(σ1 / σcr1)2+(σ2 / σcr2)2] =1

應(yīng)滿足KB≥5。

式中 KB——彈性穩(wěn)定安全系數(shù)；

σ1，σ2——由P+W+Wsog組合產(chǎn)生的環(huán)向、子午向壓力，其中Wsog 為內(nèi)吸力引起的壓力，kPa；

σcr1，σcr2——環(huán)向，子午向的臨界壓力，kPa；

由midas 程序計算殼體各點(diǎn)子午向及環(huán)向壓應(yīng)力，代入上式，可得到任一點(diǎn)的彈性安全系數(shù)KB。規(guī)范要求各點(diǎn)的KB不小于5，本工程經(jīng)計算知最小值為7.186。

由此可知，以上筒壁的外形及壁厚是安全可行的。同時，局部安全系數(shù)最

小值出現(xiàn)在最小壁厚0.170m 的最下面一節(jié)，設(shè)計時考慮適當(dāng)加強(qiáng)。并且保證開洞避開此節(jié)。

由于本工程地處抗震設(shè)防烈度為8 度區(qū)，冷卻塔殼體設(shè)計時考慮不與淋水構(gòu)架發(fā)生搭接關(guān)系。避免地震作用下淋水構(gòu)架對殼體的撞擊破壞作用。同時也使得外殼受力更簡單直接，避免復(fù)雜應(yīng)力的出現(xiàn)。

3.3 風(fēng)荷載和地震荷載對冷卻塔結(jié)構(gòu)作用比較

本工程所在地，基本風(fēng)壓0.55kPa，抗震設(shè)防烈度為8 度。冷卻塔結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載敏感，而地震烈度8 度也不可小覷。通過對midas 模型輸入兩種荷載，比較兩種荷載對結(jié)構(gòu)的作用[4]。

本工程模型中風(fēng)荷載輸入按《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范》 （GB/T50102-2003）之2.6.3 條：

式中ω (Z，θ)——作用在塔表面上的等效設(shè)計風(fēng)荷載，kPa；

ω0——基本風(fēng)壓，kPa；

Cp(θ)——平均風(fēng)壓分布系數(shù)；

β——風(fēng)振系數(shù)；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

由上述公式可計算出每個高度風(fēng)壓沿塔筒表面分布的情況，如圖3所示。

圖3 殼體水平截面風(fēng)壓分布示意（右風(fēng)）

由圖3知，最大風(fēng)壓出現(xiàn)在與風(fēng)向成70 度角位置，且為負(fù)壓。通過midas 對模型的計算分析，可知在風(fēng)荷載作用下：

樁頂最大豎向力250.0 kN；最大水平力59.5 kN；總水平力3546.5 kN

殼體上部最大水平位移53.4mm。

按振型分解反應(yīng)譜法計算水平地震作用，用于計算的地震參數(shù)如下：

分組=1，烈度=8(0.20g)，場地=III，多遇地震，Tg=0.45s，阻尼=0.05

由midas 模型分析結(jié)果如下：

樁頂最大豎向力96.9 kN；最大水平力53.5 kN；總水平力21577.0 kN

殼體上部最大水平位移10.9 mm。

以上結(jié)果，地震作用下結(jié)構(gòu)總水平力明顯大于風(fēng)荷載作用。對于樁頂豎向力，風(fēng)荷載作用則大于地震荷載作用。同時，由殼體位移值結(jié)合midas 模型變形模態(tài)知，風(fēng)荷載作用下殼體以相對變形為主，而地震作用下殼體以整體平動為主。

因此，也不能整體判斷荷載組合時考慮以何種荷載為主。也就是說，整體而言，風(fēng)荷載和地震荷載不存在哪種荷載可以忽略[5]。

4 結(jié)語

Midas 模型中以節(jié)點(diǎn)彈性支承的邊界條件模擬預(yù)應(yīng)力管樁的作用，能較為真實(shí)反映樁對上部結(jié)構(gòu)的作用。同時也使模型較為簡潔，提高計算效率。本工程自然通風(fēng)冷卻塔外殼，基礎(chǔ)以水平力控制為主。人字柱以拉力控制。自然通風(fēng)冷卻塔外殼，風(fēng)荷載與地震荷載不能整體判斷以何種荷載為主。對于雙曲線殼體，風(fēng)荷載作用下以相對變形為主，而地震作用下以整體平動為主。