鄒云峰，何旭輝，譚立新，陳政清，牛華偉

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410075; 2.高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410075; 3.中國建筑第五工程局有限公司,湖南 長沙 410004; 4.湖南大學(xué) 風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心,湖南 長沙 410082)

特大型冷卻塔單塔內(nèi)表面風(fēng)荷載三維效應(yīng)及其設(shè)計(jì)取值

鄒云峰1,2,3，何旭輝1,2?，譚立新3，陳政清4，牛華偉4

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410075; 2.高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410075; 3.中國建筑第五工程局有限公司,湖南 長沙 410004; 4.湖南大學(xué) 風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心,湖南 長沙 410082)

通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)獲得某核電站220 m高特大型冷卻塔的內(nèi)表面風(fēng)荷載，分析冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)荷載的三維效應(yīng)，采用有限元計(jì)算方法對內(nèi)壓設(shè)計(jì)取值簡化進(jìn)行探討，并對結(jié)果產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析.結(jié)果表明，冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)壓并非完全沿環(huán)向、高度均勻分布，這種不均勻性以風(fēng)筒施工期間的空塔尤為嚴(yán)重；盡管內(nèi)壓的大小及分布特征會(huì)對響應(yīng)產(chǎn)生一定的影響，但由于冷卻塔的風(fēng)致響應(yīng)中以外壓占主導(dǎo)地位，內(nèi)壓對響應(yīng)的貢獻(xiàn)較小，將具有“三維效應(yīng)”的內(nèi)壓簡化為沿高度、環(huán)向不變的常數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)可滿足安全性要求，大小可取為-0.50.研究結(jié)果可為200 m級特大型冷卻塔設(shè)計(jì)內(nèi)壓取值和相關(guān)規(guī)范修訂提供參考與依據(jù).

冷卻塔；內(nèi)壓；三維效應(yīng)；風(fēng)洞試驗(yàn)；設(shè)計(jì)取值

為實(shí)現(xiàn)循環(huán)水的冷卻，冷卻塔風(fēng)筒頂部敞開，底部由人字柱支撐而形成風(fēng)通道，故內(nèi)表面也受到風(fēng)荷載作用.相對外表面風(fēng)荷載而言，有關(guān)冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)荷載的研究成果較少，中國規(guī)范也未對其取值作出相關(guān)規(guī)定，但明確指出在進(jìn)行塔筒局部彈性穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)必須要考慮內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力[1-2].研究表明[3]，考慮內(nèi)壓效應(yīng)后，環(huán)向壓應(yīng)力增大，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性與局部彈性穩(wěn)定性降低，這一趨勢可能隨著冷卻塔高度的增加而更加顯著.

孫天風(fēng)等[4]通過對茂名冷卻塔的實(shí)測研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)作用下的內(nèi)壓并非沿環(huán)向均勻分布；Kasperski等[5]通過風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)內(nèi)壓沿環(huán)向和高度均勻分布，壓力系數(shù)值接近-0.50；李鵬飛等[6]的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明內(nèi)壓基本均勻分布，但大小與填料層透風(fēng)率密切相關(guān)；張陳勝[7]和沈國輝等[8]通過CFD方法對內(nèi)壓分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明內(nèi)壓沿高度和環(huán)向變化明顯；鮑侃袁[9]通過CFD數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)塔底尾流區(qū)內(nèi)側(cè)風(fēng)壓急劇減少；余關(guān)鵬[10]和沈國輝等[11]通過風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)內(nèi)壓在底部180°圓周角急劇減少.此外，一些學(xué)者認(rèn)為內(nèi)壓沿環(huán)向、高度不變，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定它為某一數(shù)值，例如，Diver[12]認(rèn)為內(nèi)壓壓力系數(shù)為-0.40～-0.50，Sollenberger等[13]認(rèn)為取值為-0.40，Scanlan等[14]在由內(nèi)外壓差實(shí)測數(shù)據(jù)獲得外表面風(fēng)壓系數(shù)時(shí)取內(nèi)壓為-0.40，Kawarabata等[15]認(rèn)為實(shí)際設(shè)計(jì)中內(nèi)壓可取為-0.45.由以上綜述可以看出，雖然一些學(xué)者認(rèn)為內(nèi)壓沿環(huán)向、高度不變，但也有研究結(jié)果(包括實(shí)測、數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn))表明內(nèi)壓沿高度變化，沿環(huán)向分布也并不均勻，內(nèi)壓的分布特征及其取值尚無統(tǒng)一認(rèn)識(shí).此外，已有研究大多在20世紀(jì)70，80年代進(jìn)行，研究對象高度大多在100 m左右[16-17].

隨著中國電力事業(yè)的發(fā)展，中國冷卻塔高度即將突破200 m的世界紀(jì)錄，此類特大型冷卻塔設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載取值既無規(guī)范指導(dǎo)，又無實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)借鑒，因此亟需開展內(nèi)壓相關(guān)研究.本文以中國某核電站擬建的220 m高雙曲冷卻塔為例，通過風(fēng)洞試驗(yàn)的同步測壓技術(shù)獲得其內(nèi)表面的風(fēng)壓系數(shù)，對該塔的內(nèi)表面風(fēng)荷載三維效應(yīng)進(jìn)行了分析，最后采用有限元方法對其內(nèi)表面風(fēng)壓設(shè)計(jì)取值的簡化方法進(jìn)行了分析.研究成果可為此類巨型冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)荷載取值與中國相關(guān)規(guī)范的修訂提供參考和依據(jù).

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

某核電站擬建冷卻塔淋水面積為20 000 m2，塔頂標(biāo)高220.0 m，喉部標(biāo)高169.4 m，進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高13.45 m，人字柱底面標(biāo)高0.0 m，塔頂直徑109.0 m，喉部直徑103.5 m，底部直徑169.9 m，風(fēng)筒采用分段等厚，最小厚度在喉部斷面，壁厚0.23 m，最大厚度在下環(huán)梁位置，壁厚1.4 m，由均勻分布的56對φ1.4 m人字柱支撐.剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)在湖南大學(xué)HD-2風(fēng)洞的高速試驗(yàn)段進(jìn)行，試驗(yàn)段長17.0 m，寬3.0 m，高2.5 m.試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎? mm厚的有機(jī)玻璃制作，保證模型具有足夠的強(qiáng)度和剛度，在試驗(yàn)風(fēng)速下不發(fā)生變形及不出現(xiàn)明顯的振動(dòng).模型內(nèi)表面在外形上與實(shí)際結(jié)構(gòu)保持幾何相似，幾何縮尺比為1/200，外表面幾何相似則由于結(jié)構(gòu)壁厚太薄而無法滿足，模型底部由嚴(yán)格幾何縮尺的人字柱支撐，保證人字柱之間的空隙使得空氣可以自由出入，確保真實(shí)模擬冷卻塔內(nèi)部空氣流動(dòng)特征，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌鐖D1所示.在模型表面共布置14層測點(diǎn)，每層沿環(huán)向等間距布置36個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)504個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置及圓周角定義如圖2所示.

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 測點(diǎn)布置與圓周角定義

1.2 風(fēng)場模擬

項(xiàng)目廠址周邊地形與GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的B類地貌類似，在湖南大學(xué)HD-2風(fēng)洞高速試驗(yàn)段模擬了B類地貌風(fēng)場，轉(zhuǎn)盤中心處的模擬結(jié)果如圖3所示.從圖3(a)可以看出，風(fēng)洞中模擬的平均風(fēng)速剖面與GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的B類風(fēng)場基本一致，湍流度剖面也與實(shí)際大氣中的情況基本一致；圖3(c)給出了轉(zhuǎn)盤中心50 cm高處的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)譜，可以看出，模擬的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)譜與常用的von Karman，Kaimal和Davenport等理論譜基本一致.

圖3 風(fēng)洞中大氣邊界層的模擬

1.3 符號定義

任意測點(diǎn)i處的風(fēng)壓系數(shù)CPi表示為：

(1)

式中：Pi為測點(diǎn)i處的壓力；ρ為空氣密度，取ρ=1.225kg/m3；P0為來流靜壓；VH為塔頂高度處來流風(fēng)速；H為塔頂高度．

對于冷卻塔這種圓形截面結(jié)構(gòu)，截面順風(fēng)向阻力系數(shù)CD可由風(fēng)壓系數(shù)積分得到，設(shè)某截面布置N個(gè)風(fēng)壓測點(diǎn)，其計(jì)算表達(dá)式如下：

(2)

式中：Ai為第i個(gè)測點(diǎn)代表的面積；θi為第i測點(diǎn)法向與來流方向夾角；AT為結(jié)構(gòu)沿順風(fēng)向的投影面積.

2 風(fēng)荷載三維效應(yīng)

冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)壓與塔底填料層透風(fēng)率大小及有無十字擋風(fēng)板密切相關(guān)，考慮到風(fēng)筒在施工期間塔底尚未安裝填料層，此時(shí)透風(fēng)率為100%(無十字擋板)，而冷卻塔實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下填料層透風(fēng)率一般為30%(有十字擋板)，因此以這兩種工況的測試結(jié)果為例，對內(nèi)壓三維效應(yīng)及其設(shè)計(jì)取值進(jìn)行分析.

圖4為各測層平均風(fēng)壓沿環(huán)向分布情況．由圖4可知，當(dāng)透風(fēng)率為100%(無十字擋板)時(shí)(圖4(a))，塔底風(fēng)壓系數(shù)在180°圓周角附近突然增大(最大值達(dá)-0.24)，這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)[4，8]等的研究結(jié)果一致，其解釋為從塔底迎風(fēng)面進(jìn)來的氣流撞擊在尾流區(qū)內(nèi)壁，使得該區(qū)域的風(fēng)壓增大；其他高度的平均風(fēng)壓系數(shù)沿環(huán)向基本不變，但不同高度處的平均風(fēng)壓系數(shù)值略有不同，約為-0.50～-0.60.當(dāng)透風(fēng)率為30%(有十字擋板)時(shí)(圖4(b))，塔底內(nèi)壓沿環(huán)向分布更為均勻，沒有在180°圓周角附近發(fā)生突變，各高度平均風(fēng)壓系數(shù)沿環(huán)向基本不變，這是因?yàn)樘盍蠈泳哂小罢鳌弊饔?，使塔?nèi)氣流分布較空塔更為均勻，但不同高度處的平均風(fēng)壓系數(shù)值略有不同，約在-0.45～-0.55內(nèi)微小波動(dòng).圖5為各測層壓力系數(shù)平均值沿高度變化曲線，從圖5可以更為清晰地看出，內(nèi)壓并非完全沿高度均勻分布.圖6為各高度截面阻力系數(shù)沿高度變化曲線，阻力系數(shù)絕對值與0偏差越遠(yuǎn)，表明該高度風(fēng)壓沿環(huán)向分布越不均勻，由圖6可知，當(dāng)透風(fēng)率為100%(無十字擋板)時(shí)，這種不均勻性在塔底尤為顯著.

圓周角/(°)(a) 透風(fēng)率100%(無十字擋風(fēng)板)

圓周角/(°)(b) 透風(fēng)率30%(有十字擋風(fēng)板)

由此可見，冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)壓并非完全沿環(huán)向、高度均勻分布，這種不均勻性以風(fēng)筒施工期間的空塔尤為嚴(yán)重，若將內(nèi)壓簡化為沿高度、環(huán)向不變的常數(shù)，可能會(huì)低估結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，給結(jié)構(gòu)的安全性帶來隱患.

CP,mean

3 響應(yīng)計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 有限元模型及荷載取值

采用大型通用有限元分析軟件ANSYS對原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析.建模時(shí)，冷卻塔筒體采用shell63殼單元模擬，人字柱采用beam188 Timoshenko梁單元模擬，支柱上端節(jié)點(diǎn)與風(fēng)筒末節(jié)圓的有關(guān)節(jié)點(diǎn)位置保持一致，邊界條件為人字柱底端固結(jié).劃分網(wǎng)格時(shí)，子午向根據(jù)模板節(jié)數(shù)劃分，環(huán)向等分為人字柱對數(shù)的適當(dāng)倍數(shù)，保證適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格密度以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.有限元模型及1階模態(tài)分析結(jié)果如圖7所示，結(jié)構(gòu)基頻為0.738 Hz.

CDsec

為更好地比較內(nèi)壓取值差異對冷卻塔風(fēng)致響應(yīng)的影響，計(jì)算中只考慮風(fēng)荷載而未計(jì)及重力.由于中國規(guī)范未對內(nèi)表面風(fēng)荷載取值作出規(guī)定，因此參考德國規(guī)范內(nèi)壓取值原則對內(nèi)壓進(jìn)行取值，其計(jì)算公式如下：

WI=CpIIFqb(H)．

(3)

考慮到冷卻塔風(fēng)致響應(yīng)中外表面風(fēng)荷載的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，因此各計(jì)算工況均考慮了外表面風(fēng)荷載的作用，選取中國有肋曲線(該塔的設(shè)計(jì)風(fēng)壓曲線)為外表面風(fēng)壓曲線.

3.2 靜力響應(yīng)

圖8所示為各工況下的靜力響應(yīng)比較，可以看出，位移響應(yīng)對內(nèi)壓大小及其分布特征不敏感，各工況下的位移響應(yīng)基本一致，當(dāng)塔底風(fēng)壓分布較為不均勻時(shí)(工況6)，位移甚至略微偏?。幌鄬Χ裕瑑?nèi)壓的分布特征對子午向內(nèi)(應(yīng))力影響較小，對環(huán)向內(nèi)(應(yīng))力影響較大；內(nèi)壓沿子午向分布的不均勻性對內(nèi)(應(yīng))力的影響較小，環(huán)向分布的不均勻性影響較大；內(nèi)壓分布越不均勻，環(huán)向壓內(nèi)(應(yīng))力越大，拉內(nèi)(應(yīng))力越小，且塔底風(fēng)壓沿環(huán)向分布的不均勻性對環(huán)向內(nèi)(應(yīng))力的影響隨高度的增加而減小，當(dāng)內(nèi)壓為均勻分布時(shí)，環(huán)向壓內(nèi)(應(yīng))力與內(nèi)壓系數(shù)絕對值成正比，拉內(nèi)(應(yīng))力則與之成反比.

表1 內(nèi)壓取值方法及其特征

位移/cm

圓周角/(°)

軸力/(kN·m-1)

軸力/(kN·m-1)

彎矩/(kN·m·m-1)

彎矩/(kN·m·m-1)

3.3 屈曲穩(wěn)定

穩(wěn)定性是冷卻塔設(shè)計(jì)中必須要考慮的因素之一，《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》分別給出了冷卻塔整體和塔筒局部穩(wěn)定驗(yàn)算公式，即

(4)

(5)

式中：qcr為臨界風(fēng)壓；E為混凝土彈性模量；h為塔筒喉部處壁厚；r0為塔筒喉部處半徑；KB為彈性穩(wěn)定安全系數(shù)；σ1和σ2分別為環(huán)向和子午向壓力；γ為混凝土泊松比；K1，K2為由塔筒幾何參數(shù)確定的常數(shù)；σcr1，σcr2分別為環(huán)向和子午向的臨界壓力，計(jì)算表達(dá)式如下．

(6a)

(6b)

圖9所示為各工況的屈曲穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，可以看出，各工況的整體屈曲模態(tài)及最小局部穩(wěn)定性安全因子KB基本一致；由ANSYS計(jì)算得到的各工況臨界風(fēng)速大小基本相當(dāng)，其中以工況6最小，工況1次之，但均大于由規(guī)范(式(4))計(jì)算得到的102.56 m/s.總的來說，內(nèi)壓的分布特征對冷卻塔的屈曲穩(wěn)定影響較小，相

圖9 屈曲穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果比較

對而言，內(nèi)壓沿環(huán)向分布的不均勻性對屈曲穩(wěn)定影響較大，沿高度的不均勻性影響較??；當(dāng)內(nèi)壓均勻分布時(shí)，臨界風(fēng)速與內(nèi)壓絕對值成反比.

綜上所述，靜力響應(yīng)與屈曲穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果均表明，將具有“三維效應(yīng)”的內(nèi)壓簡化為沿高度、環(huán)向不變的常數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)可保證該塔的安全性，且內(nèi)壓取值為-0.50可滿足要求.

為進(jìn)一步分析內(nèi)壓大小及分布特征對響應(yīng)的影響機(jī)理，圖10給出了不考慮外壓時(shí)表1中各內(nèi)壓工況下的響應(yīng)計(jì)算結(jié)果．由圖10可以看出，盡管塔底風(fēng)壓沿環(huán)向不均勻分布時(shí)會(huì)使得響應(yīng)增大，但它引起的響應(yīng)相對外壓較小，例如，最大位移約為0.25 cm，不到外壓的10%.因此，盡管內(nèi)壓的分布特征會(huì)對響應(yīng)產(chǎn)生一定的影響，但由于冷卻塔的風(fēng)致響應(yīng)中以外壓占主導(dǎo)地位，內(nèi)壓對響應(yīng)的貢獻(xiàn)較小，故將具有“三維效應(yīng)”的內(nèi)壓簡化為沿高度、環(huán)向不變的常數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)可滿足安全性要求.

位移/cm

應(yīng)力/MPa

彎矩/(kN·m·m-1)

4 結(jié) 論

基于剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)獲得了某核電站220 m高超大型冷卻塔沿高度、環(huán)向變化的三維內(nèi)表面風(fēng)壓系數(shù)，分析了冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)荷載的三維效應(yīng)，采用有限元計(jì)算方法對內(nèi)壓設(shè)計(jì)取值簡化進(jìn)行了討論，并對結(jié)果產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1)冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)壓并非完全沿高度、環(huán)向均勻分布，風(fēng)壓系數(shù)沿高度方向約在0.1范圍內(nèi)波動(dòng)，環(huán)向不均勻性以風(fēng)筒施工期間的空塔塔底風(fēng)壓尤為嚴(yán)重.

2)盡管內(nèi)壓的大小及分布特征會(huì)對響應(yīng)產(chǎn)生一定的影響，但由于冷卻塔的風(fēng)致響應(yīng)中以外壓占主導(dǎo)地位，內(nèi)壓對響應(yīng)的貢獻(xiàn)較小，將具有“三維效應(yīng)”的內(nèi)壓簡化為沿高度、環(huán)向不變的常數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)可滿足安全性要求，大小可取為-0.50.

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Three-dimensional Effect and Design Values of Inter Surface Wind Loading for Single Super-large Cooling Tower

ZOU Yun-feng1,2,3, HE Xu-hui1,2?, TAN Li-xin3, CHEN Zheng-qing4, NIU Hua-wei4

(1. School of Civil Engineering, Central South Univ, Changsha, Hunan 410075, China; 2.National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha, Hunan 410075, China; 3. China Construction Fifth Engineering Division Corp Ltd, Changsha, Hunan 410004, China; 4. Wind Engineering Research Center, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China)

Wind tunnel tests were carried out to measure the wind pressure on the internal surface of a 220 m-high super large cooling tower, and then analysis on the three-dimensional effect of internal pressure was conducted, and finally, simplified methods for obtaining the design value were investigated. The analysis results indicate that the wind loads on the internal surface of the cooling tower behave with remarkable three-dimensional effect, and they are not strictly uniformly distributed along both the hoop and the meridional direction. This nonuniformity is particularly serious when the tower is in the construction period. The size and the distribution of the internal pressure have some influence on the wind-induced response, but because the outer pressure plays a dominant role in the wind-induced response of cooling tower, the contribution of the internal pressure to the response is small. So the design value of internal pressure can be simplified as constant -0.50, which is proved to be very safe for the structure. The results can provide reference for both the design of 200 m high super-large cooling tower and our specification revision.

cooling tower; internal pressure; three-dimensional effect; wind tunnel test; design value

1674-2974(2015)01-0024-07

2014-03-20

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-12-0550)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178471，51322808), National Natural Science Foundation of China(51178471，51322808);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M562133)

鄒云峰(1984-)，男，湖南邵陽人，中南大學(xué)講師，博士后?通訊聯(lián)系人，E-mail:xuhuihe@csu.edu.cn

TU311.3；V211.7

A