高位收水冷卻塔中央豎井三維有限元靜動(dòng)力分析

何姜江，饒俊勇

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

隨著國(guó)內(nèi)火力發(fā)電百萬(wàn)機(jī)組新建工程的陸續(xù)增多，超大型自然通風(fēng)冷卻塔逐漸受到火力發(fā)電相關(guān)專業(yè)人士的重視。與常規(guī)濕冷塔相比，由于高位收水冷卻塔取消了底部的集水池，以高位收水裝置及集水槽代替，降低了水泵揚(yáng)程，減少了雨區(qū)和噪音，因而具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，有著廣闊的應(yīng)用前景，尤其是對(duì)電價(jià)高企和電源緊缺的地區(qū)，高位收水塔的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

高位收水冷卻塔中央豎井區(qū)域是整個(gè)淋水架構(gòu)中形式最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。豎井底部與壓力溝相連，上部與配水槽(熱水槽)相連，下部被集水槽(冷水槽)環(huán)繞，頂部有控制配水系統(tǒng)的6個(gè)閘門，同時(shí)必要時(shí)通過(guò)4個(gè)溢流井將豎井內(nèi)的水引入豎井外圍的集水槽。高位收水冷卻塔中央豎井的混凝土工程量是常規(guī)冷卻塔的2～2.5倍(不計(jì)豎井周圍集水槽工程量)。

1 中央豎井的結(jié)構(gòu)形式及受力特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)形式

中央豎井由梁、板、柱等構(gòu)件組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。中央豎井外圍為集水槽，沿集水槽縱向布置暗框架，暗框架頂梁上擱置單層配水槽，暗框架沿高度方向從上至下一定間距設(shè)置拉梁。暗框架與集水槽側(cè)壁形成一個(gè)整體，共同受力。中央豎井零米以下設(shè)井座，與壓力進(jìn)水溝相連。豎井井筒下部與壓力進(jìn)水溝相連，上部沿四個(gè)方向分別調(diào)單孔和雙孔配水槽，四周設(shè)環(huán)形配水槽，井筒外圍設(shè)4個(gè)溢流井。井筒頂部設(shè)檢修平臺(tái)。

以重慶地區(qū)某工程高位收水冷卻塔中央豎井為例，介紹高位收水冷卻塔中央豎井的結(jié)構(gòu)形式。該工程中央豎井主工結(jié)構(gòu)尺寸如下：壓力進(jìn)水溝斷面尺寸4200 mm×4200 mm，中心標(biāo)高－4.150 m，集水槽高14.00 m，井筒內(nèi)孔尺寸4200 mm×4200 mm，頂標(biāo)高24.00 m。高位收水冷卻塔中央豎井結(jié)構(gòu)三維視圖及結(jié)構(gòu)剖面圖見(jiàn)圖1和圖2。

1.2 受力特點(diǎn)

中央豎井外圍為集水槽主要承受內(nèi)水壓力，其次是單層配水傳來(lái)的集中荷載以及外部風(fēng)荷載。內(nèi)水壓力隨水深增加而增大，在內(nèi)水壓力作用下，集水槽壁板及框架作為整體，共同受力。井座部分主要承受內(nèi)水壓力、外部土水壓力以及井筒上部傳遞的荷載。由于井座部分外部土水壓力相對(duì)于內(nèi)水壓力偏小，且方向相反，計(jì)算時(shí)可不考慮外部土水壓力。井筒部分承受內(nèi)水壓力、外水壓力、設(shè)備自重、檢修荷載及風(fēng)荷載。

中央豎井結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，各部分構(gòu)件之間協(xié)同受力，采用常規(guī)簡(jiǎn)化模型計(jì)算與實(shí)際差異較大，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。因此，為準(zhǔn)確真實(shí)地模擬中央豎井結(jié)構(gòu)整體受力的特性，滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，中央豎井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有必要采用三維有限元整體分析計(jì)算。

圖1 高位收水冷卻塔中央豎井結(jié)構(gòu)三維視圖

2 有限元模型

2.1 有限元模型

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，中央豎井與集水槽、配水槽及壓力進(jìn)水溝之間設(shè)有伸縮縫，中央豎井以伸縮縫為界，進(jìn)行建模。集水槽、壓力進(jìn)水溝及中央豎井部分采用Shell181殼單元，地梁、拉梁及框架柱等采用bea m188梁?jiǎn)卧瑯痘捎脛偠染仃嚹M樁基的等效剛度方法進(jìn)行分析。

有限元模型采用直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于中央豎井中心點(diǎn)，X軸與集水槽中心線平行，Y軸與壓力進(jìn)水溝中心線平行，Z軸與X和Y垂直，且Z＝X×Y，鉛直向上。

整體計(jì)算范圍共離散為18602個(gè)節(jié)點(diǎn)和18779個(gè)單元，三維有限元計(jì)算模型參見(jiàn)圖2。

圖2 中央豎井三維有限元模型

2.2 荷載及荷載組合

根據(jù)中央豎井在高位冷卻塔內(nèi)的布置及運(yùn)行狀況，中央豎井主要承受的靜力荷載有結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備荷載、檢修荷載、內(nèi)水壓力和風(fēng)荷載。

2.2.1 靜力荷載

(1)結(jié)構(gòu)自重

中央豎井自身混凝土的重量，按25 kN/m3計(jì)。

(2)設(shè)備荷載

設(shè)備荷載主要包括由單層配水槽傳來(lái)的荷載包括配水槽自重及配水槽內(nèi)水重等集中荷載，以及淋水構(gòu)架配水層主、次梁作用在中央豎井上的集中荷載。

(3)檢修荷載

中央豎井頂部設(shè)檢修平臺(tái)，其上考慮檢修荷載，按10 kN/m2計(jì)。

(4)內(nèi)水壓力

中央豎井、集水槽和配水槽內(nèi)水壓力根據(jù)工藝專業(yè)提供的正常運(yùn)行水位考慮,內(nèi)水壓力垂直作用于各側(cè)壁內(nèi)表面。

(5)風(fēng)荷載

某工程所在地的基本風(fēng)壓為：0.40 kPa，場(chǎng)地類別為：B類。

風(fēng)荷載作為面荷載作用于集水槽垂直于風(fēng)向的側(cè)壁外表面。風(fēng)荷載的計(jì)算按《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。

2.2.2 地震荷載

根據(jù)某工程《廠區(qū)水工建構(gòu)筑物地段巖土工程勘測(cè)報(bào)告》，廠區(qū)冷卻塔地段50年超越概率10%的水平地震動(dòng)峰值加速度為0.08 g，對(duì)應(yīng)的特征周期為Tg＝0.45s。

2.2.3 荷載組合

中央豎井荷載組合工況有基本組合和特殊組合兩類。基本組合為正常運(yùn)行工況，特殊組合為地震工況。具體荷載組合及組合系數(shù)詳見(jiàn)表1。

內(nèi)力分析中，取正常運(yùn)行工況和地震工況中最不利組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表1 計(jì)算方案及荷載組合

2.3 地震分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011－2010)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震作用效應(yīng)的基本組合應(yīng)按(1)式計(jì)算：

式中：γG＝ 1.2，γEh＝ 1.3,ψW＝ 0.0，γEh＝ 1.3，φw＝0.0不考慮豎向地震的作用。

式中 ：γRE＝ 0.85

地震作用下計(jì)算的內(nèi)力值均為正值，而地震波可能同時(shí)從兩個(gè)相反的方向傳來(lái)，因此，地震工況的計(jì)算結(jié)果分別取正負(fù)與靜力計(jì)算結(jié)構(gòu)組合。

組合一為：

組合二為：

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中央豎井采用C40混凝土，鋼筋采用HRB400級(jí)，中央豎井各構(gòu)件的保護(hù)層厚度均取30 mm。長(zhǎng)度單位為 m，軸力以壓為正，拉為負(fù)，單位kN，彎矩單位為kN˙ m。

3.1 地梁

地梁共6根，布置于暗框架底部，對(duì)稱分布，主要用于支承上部結(jié)構(gòu)，并將上部荷載傳遞至樁基頂部。地梁采用矩形斷面，高H＝2000 mm，寬B＝1400 mm，梁頂標(biāo)高±0.00 m。

有限元最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，根據(jù)以下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，通過(guò)配筋計(jì)算得：地梁(B×H＝1400 mm×2000 mm)配筋：上下層均為22E25，箍筋：d14@100。

表2 地梁最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總

3.2 配水槽梁

配水槽梁共2根，布置于框架(KJ－1)頂部，沿壓力進(jìn)水溝中心線對(duì)稱分布，主要用于支承配水槽。配水槽梁采用矩形斷面，高H＝1865 mm，寬B＝700 mm，梁頂標(biāo)高15.865 m。

有限元最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，根據(jù)以下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，通過(guò)配筋計(jì)算得：地梁(B×H＝700×1865 mm)配筋：上下層均為14E25，箍筋：d12@100。

表3 配水槽梁最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總

3.3 圓柱

圓柱布置于暗框架上(KJ－2)，主要用于支承溢流孔池壁的重力，直徑D＝600 mm，高7.25 m。

有限元最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，根據(jù)以下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，通過(guò)配筋計(jì)算得：D＝600 mm圓柱配筋：18E20，箍筋：d12@150。

表4 圓柱最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總

3.4 框架柱

框架柱共12根，對(duì)稱布置，主要與集水槽壁聯(lián)合作用，承擔(dān)內(nèi)水壓力，并通過(guò)拉梁相連，提高整體穩(wěn)定性，改善受力狀況。框架柱采用矩形斷面，高H＝1200 mm，寬B＝1000 mm，高12.90 m(14.00 m)。

有限元最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，根據(jù)以下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，通過(guò)配筋計(jì)算得：框架柱(B×H＝1000 mm×1200 mm)配筋：內(nèi)外側(cè)均為15E25，箍筋：d12@100/200。

表5 框架柱最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總

3.5 拉梁

每榀暗框架柱設(shè)3層拉梁，頂標(biāo)高依次為2.20 m、5.20 m和9.20 m，共18根，對(duì)稱布置。拉梁主要與暗框架聯(lián)合作用，承擔(dān)內(nèi)水壓力。通過(guò)拉梁相連，可提高框架及池壁整體穩(wěn)定性，改善受力狀況。

KJ－1上 為 拉 梁(LL-1)共3根， 高H＝400 mm，寬B＝1000 mm，單根長(zhǎng)6.36 m；KJ－2上為拉梁(LL－2)共3根，高H＝400 mm，寬B＝600 mm，單根長(zhǎng)12.40 m；KJ－3上為拉梁(LL－3)共3根，高H＝400 mm，寬B＝600 mm，單根長(zhǎng)2.50 m。

有限元最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，根據(jù)以下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，通過(guò)配筋計(jì)算得：拉梁(B×H＝1000×400 mm)配筋：上下層均為15E25，箍 筋：d12@100/200；拉 梁 (B×H＝600 mm×400 mm)配筋：上下層均為10E25，箍筋：d12@100/200。

表6 拉梁最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總

3.6 集水槽

集水槽標(biāo)高14.00 m～10.00 m之間側(cè)壁壁厚為300 mm，10.00 m～0.00 m之間側(cè)壁厚度為600 mm，±0.00 m標(biāo)高處底板厚為800 mm。

3.6.1 底板

集水槽底板厚度為800 mm厚，承受集水槽內(nèi)14 m深的水壓，根據(jù)有限元分析得到的最大內(nèi)力，進(jìn)行配筋計(jì)算，經(jīng)配筋計(jì)算得800 mm后底板配筋如下：

垂直向下層：E25@200，垂直向上層：E22@100。

水平向下層：E25@200，水平向上層：E22@100。見(jiàn)表7。

表7 集水槽底板最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總

3.6.2 壁板(300 mm)

根據(jù)有限元分析得到的最大內(nèi)力，進(jìn)行配筋計(jì)算，經(jīng)配筋計(jì)算得，集水槽14.00 m～10.00 m層壁板(300 mm厚)配筋如下：

垂直向外側(cè)：E16@200，垂直向內(nèi)側(cè)：E16@200。

水平向外側(cè)：E14@100，水平向內(nèi)側(cè)：E16@100。見(jiàn)表8。

表8 集水槽壁板(300 mm)最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總

3.6.3 壁板(600 mm)內(nèi)力分析

根據(jù)有限元分析得到的最大內(nèi)力，進(jìn)行配筋計(jì)算，經(jīng)配筋計(jì)算得，集水槽0.00 m～10.00 m層壁板(600 mm厚)配筋如下：

垂直向外側(cè)：E20@100，垂直向內(nèi)側(cè)：E22@100。

水平向外側(cè)：E20@100，水平向內(nèi)側(cè)：E22@100。見(jiàn)表9。

表9 集水槽壁板(600 mm)最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總

3.7 豎井井筒

豎井井筒標(biāo)高0.00 m處壁厚為1000 mm，至7.25.00 m漸變至600 mm，7.25 m～14.42 m之間側(cè)壁厚度為600 mm，14.42 m～21.80 m之間側(cè)壁厚度為400 mm。

3.7.1 井筒壁板(1000 mm)結(jié)構(gòu)分析

井筒筒壁0.00 m標(biāo)高處厚度為1000 mm厚，7.25 m標(biāo)高處厚度為600 mm，承受井筒內(nèi)21.8 m深的水壓。根據(jù)有限元分析得到的最大內(nèi)力，進(jìn)行配筋計(jì)算，得井筒筒壁配筋如下：

垂直向(外層)：E25@100，垂直向(內(nèi)層)：E25@200。

水平向跨中(內(nèi)層)：E25@200，水平向支座(外層處)：E25@100。見(jiàn)表10。

表10 井筒壁板(1000 mm)最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總

3.7.2 壁板(600 mm)內(nèi)力分析

井筒筒壁標(biāo)高7.25 m～14.42 m之間厚度為600 mm厚，承受井筒內(nèi)水壓。根據(jù)有限元分析得到的最大內(nèi)力，通過(guò)配筋計(jì)算，實(shí)際配筋如下：

垂直向(內(nèi)外側(cè))：E25@200。

水平向跨中：E22@200，水平向支座：E22@100。見(jiàn)表11。

表11 井筒壁板(600 mm)最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總

3.7.3 壁板(400 mm)內(nèi)力分析

井筒筒壁標(biāo)高14.42 m～21.80 m之間厚度為400 mm厚，承受井筒內(nèi)水壓。根據(jù)有限元分析得到的最大內(nèi)力，通過(guò)配筋計(jì)算，實(shí)際配筋如下：

垂直向：E18@200；水平向：E20@200。見(jiàn)表12。

表12 井筒壁板(400 mm)最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總表

3.8 壓力進(jìn)水溝

中央豎井壓力進(jìn)水溝為矩形斷面，凈空尺寸4200 mm×4200 mm，壁厚1500 mm。壓力進(jìn)水溝壁板厚度為1500 mm厚，承受配水槽內(nèi)21.80 m深的水壓，根據(jù)有限元分析得到的最大內(nèi)力，通過(guò)配筋計(jì)算，實(shí)際配筋如下：

垂直向(上下層)：E28@150;水平向(上下層)：E28@150。見(jiàn)表13。

表13 壓力進(jìn)水溝最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總

4 結(jié)論

通過(guò)高位收水冷卻塔中央堅(jiān)井結(jié)構(gòu)三維有限元靜動(dòng)力分析，可得出如下結(jié)論：

(1)三維有限元靜動(dòng)力分析能準(zhǔn)確的模擬中央豎井在各種工況下各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，計(jì)算出中央豎井各構(gòu)件的內(nèi)力(彎矩、軸力、剪力)，依此進(jìn)行中央豎井各構(gòu)件的配筋，做到安全經(jīng)濟(jì)。

(2)三維有限元計(jì)算能準(zhǔn)確模擬中央豎井的整體抗震性能。采用振型疊加反應(yīng)譜法對(duì)中央豎井進(jìn)行地震工況計(jì)算分析，根據(jù)地震工況計(jì)算結(jié)果驗(yàn)算中央豎井各構(gòu)件的截面尺寸和結(jié)構(gòu)配筋。

(3)目前該工程已投產(chǎn)，目前冷卻塔中央豎井運(yùn)行正常，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]牛楠，王寶福，李晶晶.高位收水冷卻塔塔芯支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2014，(S1).

[2]GB50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB50009－2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4]GB 50011－2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].