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1、第 2 8卷 第 3期 2 0 0 7年 9月 力 学季刊 C H I N E S E QU A R T E R L Y O F ME C H ANI C S Vo 1 2 8 No 3 S e p2 0 0 7 自然通风冷却塔 的实验及有 限元分析 李佳 颖，任春玲，黄 志龙(浙江大学 力学 系，杭州 3 1 0 0 2 7)摘要：本文以宁海电厂二期冷却塔 为例简要 介绍 了冷却塔进行刚性 模型及气弹模型试验 的情况，用通用有 限元 软件 A N S Y S及专用 冷却塔抗震分 析软件 L B S D进行 冷却塔 内力 分析、稳 定性分析、抗震分 析，用 刚性模型试验 结果计算风振 系数，并
2、将计算结果与气弹模 型试验 的结果 进行 比较，所得结果 对相关 冷却塔设计 与安 全评 估有 重要工程意义。关键词：自然通风冷却塔；线性稳定性；地震响应；风振 系数 中图分类号：0 3 4 6 文献标识码：A文章编号：0 2 5 4 0 0 5 3(2 0 0 7)0 3 4 4 3 5 E x p er i me n t St u dy an d Fi n i t e El e men t An a l y s i s o f a Na t u r al Dr a f t Coo l i n g To wer LI J i a-y i ng，REN Chun l i ng，HUANG Zh
3、 i l o ng (D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c s，Z h e j i a n g Un i v e r s i t y，H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7，C h i n a)Abs t r a c t：Th e wi nd t un n el t e s t b a s e d o n b o t h t he r i gi d mod el a nd t he a e r o el a s t i c mo d el o f t he n a t ur a l d r a f t c o ol i n g t o w
4、e r a t Ni ng ha i p owe r p l a nt wa s br i ef l y i n t r o d u c e dTh e c o mme r c i a l f i n i t e el eme n t a na l y s i s s o f t-wa r e ANSYS wa s u s ed t o c a l c u l a t e t he s t r es s e s a nd t he l i n e a r b uc kl i ng u nd e r g r a v i t y a nd wi nd l o a dTh e s e i s mi
5、c r e s p o ns e s o f t h e na t u r a l d r a f t c o ol i ng t o we r we r e c a l c u l a t e d b y u s i ng t h e s o f t wa r e LBSD s p e c i a l f o r s e i s mi c r e s p o ns e s o f na t u r a l d r a f t c o o l i n g t o we r sTh e gu s t e f f e c t f a c t o r s we r e c a l c u l a t
6、 e d b a s e d o n t h e e x-p e r i men t a l r e s ul t s o f r i gi d mod el t e s t a n d t h e c a l c u l a t ed r e s ul t s c o mp a r e d wi t h t ho s e f r om a e r o el a s t i c mo d-e l t e s t The r e s ul t s s up p l y a n i mp o r t a nt r e f e r e nc e f o r t h e d e s i gn a n
7、d s a f e t y a s s e s s me nt o f t h e c o ol i n g t o w-er Ke y wor d s：na t ur a l d r a f t c o o l i n g t o we r；l i n e a r b uc kl i ng；s e i s m i c r e s p o n s e；gu s t e f f e c t f a c t o r 自然通风冷却塔是火电厂的重要组成部分，冷却塔 由旋转壳、支柱、环梁、桩等部分组成，通常情况下 1 0 0多米高的冷却塔最小厚度仅十几厘米，其厚径 比比鸡蛋还小。1 9 6 5年英国渡桥
8、电厂 的三座冷却塔在 阵风下倒塌，促进 了世界各国对冷却塔结构的研 究。国际上有许多学者长期从事该 方面的研究。在 国内，从上世纪 7 0年代起，北京大学武际可教授等对冷却塔结构分析进行了长期的研究，开发了一系列 用于冷却塔结构静力，动力，稳定性分析的系列程序(B S，L B S，B S D，L B S D，R B S A等)，该 系列程序具有输 入数据 方便 简单，计 算精 度高 的特 点，已在我 国许 多 电力设计 院推 广应 用。为了提高冷却效率及土地使用率，冷却塔 日益向高大发展。我 国已投入运行的最大冷却塔为邹县四 期冷却塔，该塔塔高 1 6 5米，淋水面积 1 2 0 0 0平方米
9、。目前在建的我国最高的冷却塔为浙江宁海电厂二期 冷却塔，该冷却塔为浙江宁海 电厂二期冷却塔，该冷却塔淋水面积 1 3 0 0 0平方米(塔高 1 7 7 1 4 6米)。该塔 塔高已突破了现行 火力发电厂水工技术规定(N D G J 5 8 8)“冷却塔高度1 5 0米”的限制，也超过了 工业 收稿 日期：2 0 0 6 1 1 2 9 作者简介：李佳颖(1 9 8 3 一)，女，重庆人，硕士研究生 研究方向：有 限元分析，非线性随机振动 力学季刊 第 2 8卷 循环水冷却设计规范(G B T 5 0 1 0 2 2 0 0 3)塔高 1 6 5米的限制，是 目前 国内最高、最大的冷却塔，是设
10、计与 施工 难度最 大 的冷却塔。本文以宁海电厂二期冷却塔为例用通用有限元软件 A N S Y S及专用抗震分析软件 L B S D进行分析，分 别计算了冷却塔在风载、自重、温度载荷作用下的内力，研究 了其在 自重、风载作用下的线性稳定性；研究 其他地震谱反应及时程响应；由于该冷却塔地处海滨地区，受台风影响，又毗邻圆形煤罐及小山，因此针对 本工程实际进行风洞试验，获得 了与本工程相符的风压分布，在实验测试基础上计算了该冷却塔的风振系 数。1 冷却塔 的线性稳定性分析 宁海二期冷却塔塔高 1 7 7 1 4 6 m(含刚性环)，喉部标 高 1 4 1 1 4 6 m，半径 3 9 1 1 3 m
11、最小厚度为 2 8 c m。冷却塔由 4 8对直径 1 3 m 的圆形人支柱支撑，环梁为长 7 5 m宽 2 5 m 的环板基础。冷却塔塔筒、支柱、环梁分别采用 C 4 0、C 4 5、C 3 0混凝土。该冷却塔采用桩基础支承，其中第 1 0 1 4支柱处直接支承在基岩 上；为考虑不均匀地基对冷却塔的影响，将每一支墩下一段环梁简化为承台，根据 建筑桩基技术规范 的有关公 式，可计 算得 到每个 支墩 下群 桩 的刚度矩 阵。根据 工业循环水冷却设计规范 ，冷却塔所受风载荷 由下式给出 厂(0，)=1 2 C ()()W0 (1)其中 ()为风压沿高度变化系数；W。=0 6 8 KN m 为设计
12、基本风压；C (0)为风压分布曲线，其具 体表达式见E 5 3。根据冷却塔刚性与气弹模型风洞试验结果，2#冷却塔在 1 9 5度风向是最不利 的工况，按最不利工况 可取值为。=2 0 8 4 8；根据试验结果，冷却塔的 内压沿塔高基本均匀，且 内压可取塔顶基本风压的 0 5倍。用 A NS Y S通 用有 限元软 件建立 有 限元 模 型，沿壳 体子 午 向按模板 分 1 3 1份，沿环 向分 为 3 8 4份，共有 1 3 1 X 3 8 4=5 0 3 0 4个壳体单元，壳体单元采用 S h e l l 6 3。人字柱和环梁用 b e a m1 8 8 T i mo s h e n k o
13、梁单元模 拟。群桩的等效刚度矩阵用 A NS Y S的 ma t r i x 2 7单元的形式加到梁单元 的相应节点 自由度上去，由于桩 基础等效刚度的存在，不再引入其他约束。根据建立 的有限元模型，可以计算冷却塔的内力分布。冷却塔是很薄的壳体结构，其稳定性是设计中必须考虑的困难，自然通风冷却塔的局部稳定性按下式 验算 o s K (+乏)+0 2 K B (去)。+(乏)。=(2)其 中 (h)。K 为 环 向 临 界 压 力；cr2-()。K z 为 子 午 向 临 压 力；、z 分别是考虑内吸力的环向与子午向压力；h、r。分别为塔筒喉部壁厚与半径；E、”分别为壳体混凝土的弹 性模量和泊松
14、 比；K、K。由塔筒几何参数插值得到，对本例经插值得 K=0 1 3 8 3 5，K。：1 2 6 6 9；K 为局部稳 定性安 全 因子。用 A NS Y S程序计算得到的壳体各点子午 向、环 向内力可转化为子午 向及环 向压应力，然后应用式(2)可对冷却塔任一点计算其局部稳定性安全因子 K ，规范要求各点 的安全因子 K 大于 5，在本例 中经计 算知最小的 K 值等于 5 6 8 3，位于标高 9 5 9 9米，纬 向 6 7 9 3度，因此该冷却塔符合局部稳定性设计要 求。冷却塔整体临界风压 q 及临界风速 V 可由下式估计 q =0 0 5 2 E()(3)V ：40 (4)第 3期
15、 李佳颖，等：自然通风冷却塔的实验及有限元分析 由(3)(4)得 到的 临界风速 为 1 7 7 1 0 6 m s。图 l为 自重、风压及 内吸力共 同作用下冷却塔 的屈 曲 模态。不考虑 内吸力 时 由计算 得 到 的临界 风速 为 1 6 7 2 2 m s，考 虑 内吸力 时 由计 算 得 到 的 临界 风 速 为 1 4 6 5 0 m s。可见，由于内吸力的存在，使冷却塔 的临界风速显著减 小，且 由计 算得 到 的临界风 速与经 验公 式 的结果 较接 近。2 冷却塔的抗震分析 宁海 电厂 冷 却塔 位 于 6度 地 震 区，厂址 场 地设 计 基 本 地震动峰值加速度为 0 0
16、 5 g，厂址区为滩涂区，建筑场地类 别 为 类。竖 向地 震 加 速度 与水 平 地 震 加 速 度 之 比取 0 6 5，特征周期取 0 5 5秒。用冷却塔专用分析程序 L B S D程 序分别计算了美 国 E 1 c e n t r o 地震波、印度 K o y n a地震波及 图 1 风压、自重及 内吸力作用 下 的整体屈 曲模态 Fi g 1 Buc kl i ng mode unde r t he gr av i t y，wi nd l o ads and i nt e r nal pr e s s ur e 松潘地震波三类典型地震波作用下冷却塔的时问历程响应及按 构筑物抗震设计规
17、范 的地震谱反应，其中地震谱反应是用各 阶振型响应平方和开方方法得到，而时间历程响应是振型叠加法的得到的，基本振 型用子空问迭代法计算得到。为便于与地震谱结果比较，我们输出每一点时程响应绝对值最大值。图 2为三类地震波时问历程响应绝对值最大值及地震谱反应计算得到 0度子午 向内力 比较。由图 2 知，E L c e n t r o地震波得到的最大内力大于由反应谱理论得到的内力值，而松潘地震波与 K o y n a地震波作 用下时间历程响应的最大值比按规范得到的谱响应值要小，这是由于宁海 电厂冷却塔对地震响应起决定 性作用的振型的频率位于 E 1 c e n t r o 地震波的主要频带内，而不
18、位于松潘地震波与 Ko y n a地震波的主要频 带内。因此对 自然通风冷却塔研究其地震时程响应作为补充计算是非常必要的。进一步结果分析表明由于该冷却塔建于 6 级地震 区，地震引起的壳体 内力较小，壳体 内力的大部分区 域不由地震为主的载荷组合控制，但在壳体底部、支柱及桩水平推力，地震引起的载荷作用有较大影响。图 2 壳体沿子午 向薄膜力的地震响应沿塔高分布 Fi g 2 Se i s mi c r e s po ns es of s he l l i nt e r nal f or c e al o ng m e r i di an 3 基于刚性测压试验的风振 系数计算 图 3冷却塔及周边
19、建筑物的风洞试验模型 F i g 3 T h e c o o l i n g t o we r a n d c i r c u m j a c e n t s t r u c t u r e s i ns t al l e d i n t he wi nd t unne 为研究周边环境对冷却塔压力分布的影响，委托同济大学按 l：2 0 0缩尺比制作冷却塔刚性测外压模 型及其周边场地模型(见图 3)，模型用有机玻璃板制成，沿环向与子午向布置 3 6 1 2外表面压力测点，采 用电子压力扫描阀测量刚性通风筒外表面的平均压力与脉动压力分布。根据冷却塔刚性试验结果，由于 周边山及煤罐的影响，该冷却塔的
20、最不利风向为 1 9 5度来流方 向(即图中沿小 山及煤罐来流方 向)，最大塔 群系数为 1 2 2 6，这说明该冷却塔的塔群效应是不可忽视的。由于冷却塔结构的特殊性，对冷却塔结构的阵风影响系数定义为 力学季刊 第 2 8卷 G 1+g (5)其中 为平均风压作用下冷却塔某处的平均位移或平均内力；为脉动风压作用下冷却塔某处的位移 或内力的均方根，通常可应用多 自由度线性随机振动谱理论进行分析得到；g为峰值因子，它与 l小时内 穿越载荷效应平均值的次数有关，通常取值范围为 3 0 4 0，本例取 4 0。应用刚性模型风洞测外压的结果，将风洞测试的气动风压分布作为外载荷，应用通用有限元软件计 算任
21、一点的位移及内力，由此估计其平均值及均方根，应用公式(5)可计算任一点的阵风影响系数。计算实际冷却塔 的阵风影响系数时，实际冷却塔的风压与模型塔的测试风压是通过下式转换得到的 P(z，t)=(z，t)_ P v (z)(6)其中 P(z，t)为实际冷却塔某一点所受的气动压力，垂直 于冷却塔表 面，它是距地面高程 z，方位角 和时间 t的函数；l0为空气密度；V(z)为距地面高度 z处来流 1 0分钟时距平均风速，与距地面 l O re 高度 设计 基本风 速 V 服从指 数律关 系 f z、。，l I J (z)、(7)I，、【()z a为平均风沿高度分布幂指数，z 为工程场地梯度风高度。该冷
22、却塔地处近海地 区，属 A类工程场地 良 态风环境：a取 0 1 2，z。取 3 0 0 m；模拟台风环境时，a取 0 0 6 2，z。取 l O O m；(z，t)为体型系数由模 型塔 的实测 得到。我们分别用法 向位移及子午向内力按(5)式计算风振 系数。当用法向位移 w 按(5)式计算风振系数 时，为消除上下端部的影响，取喉部附近 0度子午线 7个点的计算结果平均，得到不 同工况下 0度子午线 的 的风振 系数 见表 1。我们 还用 子午 向内力 按(5)式 计算 风 振 系数，计 算 结 果表 明，用法 向位 移与 用 子午 向内力计算风振系数的平均值差别很小。表 1三 种工况 下迎
23、风面(0度子午线)由位 移计 算 得 到 的风 振 系数(其 中 良态紊 流 场独 塔 是指 不 考虑 周地场地影响时的结果，良态紊流场二期双塔 2 是指考虑周地环境时第二个模型塔的结果，台风紊流场 二期双塔 2 是指模拟台风场时考虑周边环境时的结果)表 1 位移计算得到的风振 系数 口 )T a b 1 G u s t e f f e c t f a c t o r s c a l c u l a t e d b y u s i n g d i s p l a c e me n t 口 )为了与基于刚性测压试验的风振系数计算结果相 比较，还进行了冷却塔气弹模型风洞试验。采用 1 ：2 0 0
24、的几何缩尺 比制作模型，为满足相似要求，气弹模型设计主要从三方面进行模拟，即弹性刚度、质量 系统和 几何外 形。冷却塔气动弹性模型的刚度 由模型空间钢梁骨架提供，选用多种厚度规格镀锌薄钢片作为骨架用材。对于冷却塔通风筒筒壁结构，根据弯曲刚度、扭转刚度和轴 向刚度的相似 比要求，设计符合不同位置结构 刚度要求 的变厚度和宽度薄矩形截面钢片骨架，其轴线与实际冷却塔筒壁一致。对于冷却塔顶部刚性环 和底部人字柱结构，根据弯曲刚度的相似比要求，设计符合剐度要求的圆形截面钢骨架，其轴线与实际细 部 结构轴 线一 致。第 3期 李佳颖，等：自然通风冷却塔 的实验及有 限元分析 根据冷 却塔 质量 系统相 似
25、 比的要 求，扣 除钢 骨 架 和 外衣 所提供 的实 际质 量，采用 5 g、l O g和 2 0 g等 三种 规 格共计 4 3 2组扁 圆形 铜 块 为 配 重来 补充 不 足 部 分 的质 量，铜质量块采用螺栓对称固定在冷却塔模型的内壁。按照几何相似 比的要求，采用具有可张拉性能的弹 性、轻质薄膜整体张贴在钢骨架外表面模拟实际冷却塔 结 构 的外 形，外 衣 本 身 几 乎 不 提供 刚 度 且 表 面 不 留 空 隙，张紧后 的外 衣在 风速作 用 下不会 出现 明显 的局 部 风 振 和变形。图 4为加 工完 成后 的气 弹模 型。分别在 良态 A类紊流场独塔 和 良态紊流场双塔组
26、 合最 不利来 流工 况(2#塔 1 9 5。来 流角度)两 种工 况 下对 气弹模 型进 行测 振试验，用激 光位 移计 测 得每 一 测 点 的 位移响应，通过对每一测点估计其均值与方差，同样按 公 式(5)计算 风振 系数。由表 1 计算 得 到 的风 振 系数 平 均值和由气弹模型试 验所得 的位移风振 系数平均值见 F i g 4 表 2，由表 2可 知 计 算 结 果 与 试 验 结 果 二 者 基 本 吻 合。图 4 加工完成后的冷却塔气弹模型 The a er o el as t i c m o de l of c ool i ng t ower 其实验结果比计算结果略大，这是
27、由于计算用的动压力是用刚性模型得到的，忽略了气动力与结构耦合振 动 的效应。表 2 良态紊流场独塔和 期双塔组合最不利来流 工况(2#塔 1 9 5米流角度)迎风 面(0度子午向)位移风振 系数计算 与实验结果 的比较 Tab 2 The c ompa ri s on of co m p ut e d r e s ul t s and t e s t r es ul t s unde r di f f e r e nt c ondi t i ons 4 结论 本文用有限元软件 A NS Y S对我国在建最高的 自然通风冷却塔在风载、自重、温度载荷作用下 的内力 进行分析；计算冷却塔的局部与整体
28、稳定性表明该冷却塔满足规范规定的局部稳定性要求；计算表明当考 虑内吸力时冷却塔的整体稳定性临界风速有显著下降；用专用软件 L B S D对冷却塔地震响应的计算知，在 E 1 c e n t r o地震波作用下，其最大响应超过反应谱理论的计算结果约 2 5，表明用时程 响应作补充计算是 非常必要的；基于刚性模型气动压力计算得到的风振系数与气弹模型测试的到风振系数基本吻合。这些 计算及试验结果为该冷却塔的设计提供 了参考依据。致谢：本文的风洞试验是 由同济大学土木工程防灾 国家重点实验室的葛耀君教授等完成。本文得到了新 世 纪优 秀人才 支持 计划及 同济大学 防灾 国家 重点 实验 室开 放课题
29、 的资助。参 考文 献：1 K r i v o s h a p k o S N S t a t i c，v i b r a t i o n a n d b u c k l i n g a n a l y s i s a n d a p p l i c a t i o n s t o o n e s h e e t h y p e r b o l i c s h e l l s o f r e v o l u t i o n J A S ME，A p p l i e d Me c h a n i c s Re vi e w，2 0 0 2，5 5(3)：2 4 12 7 0 2 P r o c
30、e e d i n g s o f f if t h i n t e r n a t io n a l s y mp o s i u m o n n a t u r a l d r a f t c o o l i n g t o w e r s C A A B a l k e me p u l i s h e r，2 0 0 4，I s t a n b u 1 3 北京大学固体力学 教研室 旋转壳的应力分析 C 北京：水利 电力出版社，1 9 7 9 4 建筑桩基技术规范 S J G J 9 49 4 5 工业循环水冷却设计规范I S G B T 5 0 1 0 2 2 0 0 3 6 构筑物抗震设计规范I S G B 5 0 1 9 1-一 9 3 7 黄本才 结构抗风分析原理及应用 M 上海：同济大学出版社，2 0 0 2