不同氣動措施對特大型冷卻塔風(fēng)致響應(yīng)及穩(wěn)定性能影響分析

柯世堂+杜凌云

摘 要：為研究不同氣動措施對特大型冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)致強(qiáng)度及穩(wěn)定性能的影響，以內(nèi)陸某核電特大型冷卻塔為例，對無氣動措施和增設(shè)3種氣動措施冷卻塔進(jìn)行剛體測壓風(fēng)洞試驗(yàn).基于試驗(yàn)結(jié)果對比分析了不同氣動措施下冷卻塔表面平均和脈動風(fēng)壓特性，然后采用有限元方法進(jìn)行不同氣動措施下特大型冷卻塔的動力特性、風(fēng)致響應(yīng)、局部和整體穩(wěn)定性能研究，最終提煉出不同氣動措施對特大型冷卻塔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的影響規(guī)律.

關(guān)鍵詞：特大型冷卻塔；氣動措施；風(fēng)洞試驗(yàn)；風(fēng)壓特性；風(fēng)致響應(yīng)；穩(wěn)定性

中圖分類號：TU279.741 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）05-0079-11

Abstract：To study the wind-induced strength and stability properties of large cooling towers with different aerodynamic measures， the pressures of the rigid-body models without or with three different aerodynamic measures were measured by the wind tunnel tests. A nuclear super-large cooling tower inland was considered as the test specimen. The surface wind mean and fluctuating pressure characteristics were investigated from the test results. Furthermore， finite element analysis was conducted to evaluate the dynamic characteristics of natural vibration， the wind-induced response， and the overall and local stability. Finally， the effective rules of the different aerodynamic measures on wind resistance for super-large cooling tower were proposed.

Key words：super large cooling towers； aerodynamic measures； wind tunnel test；wind pressure characteristic；wind-induced response；stability

隨著能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，作為火/核發(fā)電廠重要構(gòu)筑物之一的冷卻塔的規(guī)模日趨高大化，國內(nèi)規(guī)范條款僅針對高度在165 m以下的冷卻塔，其已無法滿足當(dāng)前特大型冷卻塔建設(shè)的需求，同時塔高和直徑的增大使特大型冷卻塔在風(fēng)荷載作用下的承載能力和穩(wěn)定性能成為制約其發(fā)展的瓶頸之一[[1-2].

國內(nèi)外學(xué)者采用風(fēng)洞試驗(yàn)和有限元方法對大型冷卻塔的風(fēng)致穩(wěn)定性能進(jìn)行了大量研究[[3-6]，為其抗風(fēng)設(shè)計提供了很好地技術(shù)支持.然而，國內(nèi)外已有研究成果均未涉及不同氣動措施[[7-8]下特大型冷卻塔的風(fēng)壓分布特性，更缺乏不同氣動措施對其風(fēng)致響應(yīng)和穩(wěn)定性影響的定性和定量分析.

鑒于此，本文以內(nèi)陸某核電特大型冷卻塔工程為背景，對無氣動措施和增設(shè)3種不同氣動措施的冷卻塔進(jìn)行剛體模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果對比分析表面平均和脈動風(fēng)壓特性；再采用有限元方法進(jìn)行不同氣動措施下特大型冷卻塔的風(fēng)致響應(yīng)及整體和局部穩(wěn)定性研究，并與無氣動措施下冷卻塔的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，最終提煉出不同氣動措施對特大型冷卻塔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的影響規(guī)律，主要結(jié)論可為此類特大型冷卻塔氣動措施的選取提供依據(jù).

1 風(fēng)洞試驗(yàn)及結(jié)果分析

1.1 剛體測壓風(fēng)洞試驗(yàn)

本試驗(yàn)結(jié)構(gòu)原型采用江西某核電特大型自然通風(fēng)冷卻塔[[1]，塔高215 m，淋水面積18 300 m2，喉部高度160 m，中面半徑49.64 m，塔筒分段等厚，最小厚度0.26 m，最大厚度1.8 m.表1給出了該工程冷卻塔的主要結(jié)構(gòu)尺寸.

測壓試驗(yàn)所用風(fēng)洞為全鋼結(jié)構(gòu)閉口回流式低速大氣邊界層風(fēng)洞，剛體模型采用1∶500縮尺比，沿環(huán)向和子午向共布置36×12個測點(diǎn).同時在來流前部放置三角尖劈和地面粗糙元來模擬B類地貌的大氣邊界層風(fēng)場.由于物理風(fēng)洞本身的局限性，可通過適當(dāng)改變模型表面粗糙度和調(diào)整試驗(yàn)風(fēng)速來近似模擬冷卻塔高雷諾數(shù)時的繞流特性[[9-10].通過比較確定采用二三層紙帶間隔分布的形式沿圓周均勻布置寬5 mm，厚0.1 mm共計36條豎向通長粗糙紙帶和來流風(fēng)速10 m/s手段來模擬雷諾數(shù)效應(yīng)（模型雷諾數(shù)為1.51×105）.圖1給出了在10 m/s試驗(yàn)風(fēng)速下冷卻塔中間斷面平均表面壓力系數(shù)分布與規(guī)范值[[11]的對比曲線，由圖比較可知

二者吻合較好，故后續(xù)不同氣動措施下的冷卻塔模型均采用此雷諾數(shù)模擬方法.

3種氣動措施分別為：在進(jìn)風(fēng)口上部設(shè)置外部進(jìn)水槽、矩形導(dǎo)風(fēng)板和弧形導(dǎo)風(fēng)板，每種導(dǎo)風(fēng)裝置的尺寸如圖2所示.相應(yīng)計算模型簡稱無措施、措施1、措施2和措施3.其中不同氣動措施模型如圖3所示.

1.2 結(jié)果分析

圖4給出了子午向0～50 m，50～100 m，100～150 m和150～215 m高度區(qū)間內(nèi)4種氣動措施下冷卻塔平均風(fēng)壓隨環(huán)向角度變化曲線.由圖可知，隨著高度區(qū)間的增大，不同氣動措施下冷卻塔外表面的平均風(fēng)壓系數(shù)與無氣動措施的分布差別越來越小，最大影響量從27.69%降至18.02%，在150～215 m高度區(qū)域內(nèi)基本與無氣動措施風(fēng)壓曲線分布一致，局部點(diǎn)差異較大；不同氣動措施對120°～240°角度范圍內(nèi)即背風(fēng)區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)影響較大，對側(cè)風(fēng)區(qū)域和迎風(fēng)區(qū)域的平均風(fēng)壓影響相對較小.

圖5給出了子午向0～50 m，50～100 m，100～150 m和150～215 m高度區(qū)間內(nèi)不同氣動措施下冷卻脈動風(fēng)壓系數(shù)均方根對比曲線，對比可知在0～50 m范圍內(nèi)，4種冷卻塔脈動風(fēng)壓系數(shù)均方根差別較大，最大百分比為33.87%，但隨著塔高的增大不同氣動措施下的脈動風(fēng)壓均方根逐漸接近無氣動措施的分布曲線，且沿環(huán)向角度的變化規(guī)律趨于一致；在120°～240°角度范圍內(nèi)即背風(fēng)區(qū)域不同氣動措施對脈動風(fēng)壓的影響最為顯著，在其他角度范圍內(nèi)區(qū)別相對較小.

2 動力特性分析

采用有限元方法分別對4種氣動措施下的特大型冷卻塔進(jìn)行動力特性分析，圖6給出了對應(yīng)的有限元整體及局部模型，塔筒采用 Shell63單元，子午向和環(huán)向分別劃分為135和160個單元，支柱和環(huán)基采用Beam188單元，環(huán)基下部采用空間彈簧單元模擬彈性地基，每根樁基均采用3個力和力矩彈簧單元分別模擬樁沿豎向、環(huán)向、徑向、繞豎向、繞環(huán)向和繞徑向的作用，彈簧單元一端與環(huán)基剛性連接，另一端與地面固接約束，環(huán)基與支柱下部剛接，支柱上部與塔筒下部節(jié)點(diǎn)耦合.

圖7給出了4種塔型前100階頻率對比曲線.圖8給出了4種冷卻塔第一階振型對比圖.由圖可看出：無氣動措施冷卻塔首階振型為環(huán)向諧波的有3個，豎向諧波的有2個，而3種氣動措施下冷卻塔第一階振型特性完全一致，環(huán)向諧波有4個，豎向諧波2個且下部豎向諧波形狀完整.由圖可看出，四者基頻分別為：氣動措施2（0.657 0）> 氣動措施1（0.656 6）> 氣動措施3（0.656 2）> 無氣動措施（0.643 8）；措施2冷卻塔的各階頻率相比其他三者為最大，在0～60階范圍內(nèi)，措施1和措施3兩種冷卻塔的頻率十分接近.

3 同組風(fēng)壓下冷卻塔的受力性能分析

本節(jié)均采用無氣動措施冷卻塔外表面的平均風(fēng)壓系數(shù)對4種冷卻塔模型進(jìn)行加載分析.

3.1 環(huán)基與支柱響應(yīng)

圖9和圖10給出了同一組風(fēng)荷載作用下不同氣動措施冷卻塔環(huán)基徑向位移曲線和支柱軸力曲線，由圖分析可知：1）氣動措施的設(shè)置對于環(huán)基側(cè)風(fēng)區(qū)域的徑向位移影響最大，對背風(fēng)區(qū)域影響相對略小，對迎風(fēng)區(qū)域的環(huán)基徑向位移影響最小，4者幾乎吻合；2）不同氣動措施下冷卻塔的支柱軸力分布趨勢一致，在側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)局部支柱處略有差別.

3.2 塔筒響應(yīng)

圖11給出了同一組風(fēng)壓下塔筒70°子午線上的節(jié)點(diǎn)徑向位移和單元環(huán)向應(yīng)力沿高度變化曲線圖.由圖可見當(dāng)對不同氣動措施冷卻塔施加同一組風(fēng)壓時，70°子午線上的節(jié)點(diǎn)徑向位移和單元環(huán)向應(yīng)力幾乎沒有差別，僅在氣動措施所在處高度及喉部有較小差別.

3.3 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

進(jìn)行整體穩(wěn)定性[12]驗(yàn)算的輸入荷載組合為自重+K（風(fēng)荷載+內(nèi)吸力），K為失穩(wěn)特征值，失穩(wěn)臨界風(fēng)速是K與基本風(fēng)速的乘積，此時的風(fēng)荷載均為無氣動措施下冷卻塔的表面風(fēng)荷載.

計算得到4種氣動措施下冷卻塔的屈曲系數(shù)、臨界風(fēng)速及屈曲模態(tài)如表2所示.由表可知：1）氣動措施的設(shè)置可以提高冷卻塔的靜風(fēng)整體穩(wěn)定性；2）同一風(fēng)荷載作用下措施1對提高冷卻塔整體穩(wěn)定性的影響效果最好，此時對應(yīng)的屈曲失穩(wěn)臨界風(fēng)速為217.29 m/s.

4 風(fēng)致響應(yīng)特性

本節(jié)采用不同氣動措施下對應(yīng)各自的冷卻塔外表面平均風(fēng)壓系數(shù)對四種冷卻塔進(jìn)行靜風(fēng)加載，具體研究不同氣動措施及其風(fēng)壓分布對冷卻塔受力性能和屈曲穩(wěn)定的影響.

4.1 環(huán)基位移

圖12給出了不同氣動措施下冷卻塔環(huán)基的徑向、環(huán)向和豎向位移曲線.由圖可見：1）對應(yīng)風(fēng)荷載作用不同氣動措施對冷卻塔環(huán)基的變形影響作用較大，4種塔型位移變化規(guī)律一致； 2）不同氣動措施對冷卻塔的位移影響在側(cè)風(fēng)區(qū)域和背風(fēng)區(qū)域影響較大，在迎風(fēng)區(qū)域影響較小；3）冷卻塔的豎向位移變化劇烈，不同范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)豎向位移突變嚴(yán)重.

4.2 支柱內(nèi)力

圖13給出了不同氣動措施下冷卻塔支柱頂部軸力變化曲線，按支柱傾斜方向分為奇數(shù)支柱和偶數(shù)支柱.由圖看出：1）奇數(shù)支柱與偶數(shù)支柱軸向力呈軸對稱；2）不同氣動措施下冷卻塔的支柱軸向力分布趨勢幾乎相同，無氣動措施奇數(shù)和偶數(shù)支柱軸向力分別在支柱編號16～24范圍內(nèi)和編號24～32范圍內(nèi)突然減小，其它范圍內(nèi)冷卻塔支柱軸向力以氣動措施1作用下最大，以無氣動措施作用下為最小，氣動措施2和3對支柱軸向力影響相當(dāng).

4.3 塔筒位移

選擇迎風(fēng)點(diǎn)（0°）、零壓力系數(shù)點(diǎn)（30°）、負(fù)壓極大值點(diǎn)（70°）及背風(fēng)點(diǎn)（180°）4個代表性區(qū)域進(jìn)行不同氣動措施冷卻塔的筒壁位移響應(yīng)分析.圖14給出了不同氣動措施冷卻塔在各自風(fēng)荷載作用下的塔筒0°，30°，70°及180°子午線上徑向位移隨高度的變化曲線.

對比分析可得：1）不同氣動措施冷卻塔在0°和70°子午線上節(jié)點(diǎn)徑向位移在喉部以下比較接近，在喉部以上數(shù)值稍有差異，最大相差12.67%；2）在30°子午線上的徑向位移差異較大，125 m以下無氣動措施冷卻塔位移最大，帶弧形導(dǎo)風(fēng)板冷卻塔位移最小，達(dá)到喉部高度后位移突然減小，其中以無氣動措施冷卻塔減小趨勢最明顯；3）180°子午線上節(jié)點(diǎn)位移在塔筒中下部以無氣動措施冷卻塔最大，達(dá)到喉部高度后位移均開始減小.

喉部壁厚較薄，屬于冷卻塔的薄弱部位，有必要對其徑向位移分布特性進(jìn)行研究.圖15給出了4種氣動措施下冷卻塔的喉部徑向位移隨角度的變化曲線，可將0.00圓環(huán)假定為冷卻塔喉部原形.由圖可見4種冷卻塔的喉部徑向位移大小和變化趨勢幾乎一致，其中喉部最大徑向負(fù)位移-0.041出現(xiàn)在正迎風(fēng)角0°處，最大正位移0.036出現(xiàn)在±70°附近；在0°～45°范圍內(nèi)，徑向位移為負(fù)，且逐漸減小；45°～70°范圍內(nèi)，徑向位移為正，且逐漸增大；70°～100°范圍內(nèi)，徑向位移為正，且逐漸減小；100°～180°范圍內(nèi)，徑向位移先增大后減小至0繼而增大至0.005左右.

4.4 塔筒應(yīng)力

以無氣動措施冷卻塔為例，圖16提取了塔筒所有節(jié)點(diǎn)的環(huán)向和子午向應(yīng)力等勢線圖.由圖可發(fā)現(xiàn)環(huán)向和子午向應(yīng)力較大值均出現(xiàn)在±70°左右，故后

續(xù)以70°子午線上的應(yīng)力值進(jìn)行4種氣動措施下冷卻塔的應(yīng)力對比研究.

圖17給出了70°子午向4種氣動措施下冷卻塔的環(huán)向和子午向應(yīng)力沿塔高的變化曲線對比圖.由圖對比分析可見：1）4種冷卻塔的環(huán)向、子午向應(yīng)力沿塔高變化基本相同；2）由于自重的積累，塔筒底部應(yīng)力最大，在氣動措施設(shè)置高度處應(yīng)力驟減；3）隨著冷卻塔標(biāo)高的增大，應(yīng)力逐漸減小，在喉部處略有突變，但總體趨勢不變，冷卻塔頂部壁厚較薄，平臺外伸，應(yīng)力突增.

5 靜風(fēng)穩(wěn)定性分析

5.1 計算特征值法整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用不同氣動措施下對應(yīng)各自的冷卻塔外表面風(fēng)荷載進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，計算得到4種氣動措施下冷卻塔的屈曲系數(shù)、臨界風(fēng)速及屈曲模態(tài)如表3所示.由表可知：1）氣動措施的設(shè)置可以提高冷卻塔的靜風(fēng)整體穩(wěn)定性；2）措施2和3對冷卻塔整體穩(wěn)定性的影響效果相當(dāng)，氣動措施1對冷卻塔的整體穩(wěn)定性改善效果最為顯著，對應(yīng)的屈曲失穩(wěn)臨界風(fēng)速為71.45 m/s，小于統(tǒng)一風(fēng)壓分布模式下的臨界風(fēng)速71.7 0m/s.

5.2 局部穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用規(guī)范[[13-14]提出的屈曲應(yīng)力計算方法分析冷卻塔的局部穩(wěn)定性.圖18給出了4種氣動措施下塔筒局部穩(wěn)定系數(shù)云圖，由于計算得到的不同部位局部穩(wěn)定因子[[15]數(shù)值相差較大，為便于對比，圖中數(shù)值由實(shí)際局部穩(wěn)定因子取對數(shù)給出.由圖可見：1）4種氣動措施下冷卻塔的最小局部穩(wěn)定系數(shù)為：無氣動措施（4.34）<氣動措施3（4.46）<氣動措施2（4.50）<氣動措施1（4.56），出現(xiàn)位置大致相同，均在環(huán)向±75°附近、高度30～80 m范圍內(nèi)，故在設(shè)計時應(yīng)局部加固此處；2）無氣動措施冷卻塔的局部穩(wěn)定因子最小，氣動措施2下冷卻塔的數(shù)值分布范圍比其他三者廣；3）氣動措施1與氣動措施3下冷卻塔的數(shù)值分布相似，但后者偏于安全，故在局部穩(wěn)定性方面，建議選擇弧形導(dǎo)風(fēng)裝置進(jìn)行氣動措施設(shè)置.

6 結(jié) 論

結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)和有限元分析，對不同氣動措施下冷卻塔表面風(fēng)壓特性和風(fēng)致強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行了對比研究，得到主要結(jié)論如下：

1）不同氣動措施對于大型冷卻塔表面平均和脈動風(fēng)壓分布有一定影響，主要體現(xiàn)在0～50 m高度區(qū)域內(nèi)，最大影響量分別為27.69%和33.87%.隨著塔高增加不同氣動措施冷卻塔表面環(huán)向平均和脈動風(fēng)壓分布逐漸與無氣動措施的分布曲線接近，在150～215 m高度區(qū)域內(nèi)風(fēng)壓分布基本一致；不同氣動措施對環(huán)向120°～240°角度范圍內(nèi)即背風(fēng)區(qū)域的風(fēng)荷載影響較大，對側(cè)風(fēng)區(qū)域和迎風(fēng)區(qū)域影響相對較小；

2）針對不同氣動措施對冷卻塔風(fēng)致位移和內(nèi)力響應(yīng)的影響，采用統(tǒng)一風(fēng)壓分布模式計算要比采用對應(yīng)模型表面風(fēng)壓要小，而相應(yīng)的屈曲失穩(wěn)臨界風(fēng)速前者則要偏大為71.70 m/s；

3）不同氣動措施均可提高冷卻塔結(jié)構(gòu)基頻，分別為：氣動措施2（0.657 0）> 氣動措施1（0.656 6）> 氣動措施3（0.656 2）> 無氣動措施（0.643 8），且對冷卻塔的振型影響較為顯著；

4）不同氣動措施對環(huán)基位移、筒壁位移和應(yīng)力分布特性影響較小，但對支柱軸向力影響較大，帶有外部進(jìn)水槽的冷卻塔軸向力最大，兩種導(dǎo)風(fēng)板對支柱軸向力的影響相當(dāng)；

5）不同氣動措施均可提高冷卻塔的靜風(fēng)整體穩(wěn)定性，其中以外部進(jìn)水槽對冷卻塔的整體穩(wěn)定性改善效果最優(yōu)，對應(yīng)屈曲失穩(wěn)臨界風(fēng)速為71.45 m/s；增設(shè)外部進(jìn)水槽冷卻塔局部穩(wěn)定因子值較大，在局部穩(wěn)定性方面相對其他氣動措施更為安全.

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