蔡新江，王名，毛小勇,2，田石柱,2

(1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215011；2.江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點實驗室， 江蘇 蘇州 215011)

0 引言

隨著用電量的不斷提升，在高烈度區(qū)選址的電廠逐漸增多，配建的冷卻塔高度也超出了現(xiàn)行規(guī)范的適用范圍，目前位于高烈度區(qū)200 m高以上的超大型冷卻塔也在規(guī)劃和建造當(dāng)中，投資巨大，地震下一旦發(fā)生破壞將造成巨大的經(jīng)濟損失，因此對超大型冷卻塔的抗震性能研究也在不斷深入。近年來針對200 m以上超大型冷卻塔的抗震性能，文獻[1-3]基于有限元軟件對不同支柱類型的冷卻塔進行了彈塑性分析及能力譜分析，文獻[4-7]采用欠質(zhì)量混凝土冷卻塔模型進行了振動臺試驗，研究結(jié)果均表明支柱與塔筒連接處是冷卻塔的薄弱部位，上部塔筒較少發(fā)生破壞。

對冷卻塔進行開洞，一是出于環(huán)保的需要，通過局部開洞的方式對冷卻塔進行煙氣的脫硫脫硝除塵一體化改造，目前已經(jīng)成為冷卻塔新建及改造的一種趨勢；二是煙塔合一技術(shù)，利用局部開洞進行排煙，從而取消煙筒的建造，不僅可以滿足該地區(qū)對建筑物高度的限制，同時又減少占地并節(jié)約工程投資。因此，需要研究開設(shè)局部洞口情況下冷卻塔的力學(xué)性能。針對開洞冷卻塔的抗風(fēng)性能，張衛(wèi)喜等[8]分析了風(fēng)荷載作用下冷卻塔開洞前后、洞口局部及整體的強度和穩(wěn)定性，結(jié)果表明圓形洞口對冷卻塔的整體影響較小，但洞口邊緣應(yīng)力集中明顯，洞口高度設(shè)置應(yīng)盡可能降低環(huán)梁附近整體彎矩效應(yīng)的影響，當(dāng)洞口方向沿主導(dǎo)風(fēng)向開洞時洞口邊緣應(yīng)力集中最為明顯。王銘等[9]對局部開洞煙塔合一冷卻塔的內(nèi)力及線性穩(wěn)定性進行了分析，計算表明 在72°風(fēng)向角風(fēng)壓作用下在孔口附近產(chǎn)生局部屈曲, 使臨界風(fēng)速急劇下降, 而在孔口附近經(jīng)局部加厚處理可消除局部屈曲現(xiàn)象。馮志強等[10]采用鋼桁架方式對高位開孔冷卻塔的洞口進行了局部加固處理，并對加固構(gòu)件進行了內(nèi)力分析，較好地解決了開洞帶來的施工難題。王寶福等[11]對局部開大孔排煙冷卻塔在自重和風(fēng)荷載作用下進行了靜力和穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明局部開洞對穩(wěn)定性影響不大，但局部應(yīng)力顯著。劉志剛等[12]對我國首個自主設(shè)計的排煙冷卻塔開孔后對塔筒穩(wěn)定性和應(yīng)力的影響、V 字柱不等間距布置對塔筒及環(huán)基的影響等進行了較為全面的研究分析，結(jié)果表明采取一定的工程設(shè)計措施后在冷卻塔上開洞是可行的。柯世堂等[13]利用振型分解反應(yīng)譜法對煙塔合一冷卻塔進行線性分析，并將地震與風(fēng)分別作用下的環(huán)基內(nèi)力和位移反應(yīng)進行對比，結(jié)果表明環(huán)基的徑向、豎向彎矩及位移比常規(guī)無孔冷卻塔數(shù)值明顯增大, 開孔周邊塔筒產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中, 其數(shù)值也遠大于地震作用下的應(yīng)力值, 經(jīng)穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)需采取開孔加固措施控制風(fēng)振影響。馬奔等[14]探討了洞口大小和洞口高度對冷卻塔整體結(jié)構(gòu)及洞口局部的影響，結(jié)果表明一定尺寸范圍內(nèi)洞口的開設(shè)對冷卻塔的整體結(jié)構(gòu)影響較小，但在洞口局部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)，且應(yīng)力集中效應(yīng)不容忽視。

綜上所述，針對局部開洞冷卻塔的力學(xué)性能，目前的研究主要集中在抗風(fēng)方面，并且高度限定在常規(guī)高度范圍內(nèi)，而對200 m高度以上的超大型冷卻塔的開洞研究相對還較少，本文擬結(jié)合一座220 m高度超大型雙曲線鋼筋混凝土冷卻塔，進行局部開洞后冷卻塔在罕遇地震作用下彈塑性時程分析，研究開洞對整體結(jié)構(gòu)和局部洞口的影響，為冷卻塔的設(shè)計、施工和運營維護提供研究參考。

1 冷卻塔有限元模型

原型結(jié)構(gòu)取自某火電廠中一座雙曲線自然通風(fēng)式鋼筋混凝土冷卻塔，塔高220 m，喉部高度166.1 m，進風(fēng)口高度28.74 m；塔筒底部中面直徑188 m，喉部中面直徑103 m，頂部中面直徑117 m；塔筒殼體采用分段等厚，最小厚度0.375 m，最大厚度1.7 m；塔筒支撐在58對截面尺寸為1 600 mm×900 mm 的X形支柱上，支柱下設(shè)置矩形支墩和環(huán)形基礎(chǔ)；塔筒采用C45混凝土現(xiàn)澆；支柱采用C50混凝土，支墩和環(huán)形基礎(chǔ)采用C35混凝土?？拐鹪O(shè)防烈度為8°，設(shè)計基本地震加速度為0.2 g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。

采用ABAQUS進行有限元建模，假定X型支柱及支墩與塔筒底部環(huán)梁、基礎(chǔ)均為剛接。上部塔筒選用S4R分層殼單元來模擬鋼筋混凝土，忽略殼單元平面外的剪切變形；底部X形支柱選用考慮剪切變形影響的B31梁單元，支柱中的鋼筋通過插入Rebar纖維進行模擬。進行分析時，塔筒的混凝土采用ABAQUS塑性損傷模型，鋼筋采用理想彈塑性模型。網(wǎng)格劃分共計23 664個單元，其中殼單元21 808個，梁單元1 856個。為了研究開洞對冷卻塔結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)置地震輸入方向和洞口大小兩個參數(shù)作為變量，X向為垂直洞口方向，Z向為平行洞口方向，Y向為豎向，地震輸入方向分X向和Z向，洞口形狀為正方形，邊長分別為12 m和15 m，洞口距離地面高度52 m，沿主導(dǎo)風(fēng)向開設(shè)。

依據(jù)選取地震動反應(yīng)譜在結(jié)構(gòu)主要周期點上與設(shè)計譜相近的原則，選取了EI Centro波、什邡波兩條天然地震動，并結(jié)合規(guī)范反應(yīng)譜結(jié)合場地條件利用SIMOKE軟件擬合生成1條人工地震動，每組波時長20 s，在有限元模型底部輸入地震波對冷卻塔進行罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析。

2 開洞對冷卻塔受力影響分析

2.1 冷卻塔的振型

冷卻塔結(jié)構(gòu)振型密集，振型間耦連效應(yīng)較為復(fù)雜，通過模態(tài)分析可以得到原型冷卻塔(以下簡稱原型塔)和開洞冷卻塔(以下簡稱開洞塔)的多階振型，主要分為局部振型和平動振型兩類，第1階局部振型和第7階平動振型結(jié)果，原型塔及開洞塔振動振型圖如圖1所示，其他振型規(guī)律基本一致，限于篇幅暫 未給出。由圖1可知，開洞與否對冷卻塔的局部振型幾乎沒有影響，對平動振型洞口處有小范圍影響，但影響很小，近似可以忽略，進一步說明開洞之后對冷卻塔整體結(jié)構(gòu)的動力特性影響較小，其原因主要在于冷卻塔的高度較高，洞口相對整體結(jié)構(gòu)來說較小，影響不大。

(a1) 原型冷卻塔1階振型(f=0.61)

2.2 塔筒應(yīng)力及塔筒損傷

罕遇地震作用下原型塔及開洞塔塔筒Mises應(yīng)力云圖如圖2所示，不同地震作用下原型塔及開洞塔塔筒最大Mises應(yīng)力見表1。原型塔的塔筒應(yīng)力最大值大多出現(xiàn)在塔筒與支柱交界處及筒體喉部兩個位置，應(yīng)力最大值為6.71 MPa，最小值基本均出現(xiàn)在筒體頂端；與原型塔相比，開洞塔塔筒相應(yīng)位置應(yīng)力大小基本不變，其變化幅值不超過5%，但其局部應(yīng)力分布發(fā)生變化，其中El Centro波的應(yīng)力分布變化相對較為顯著，說明選取地震波的頻譜特性會對該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。所有開洞塔的筒體應(yīng)力最大值基本均出現(xiàn)在洞口邊緣，應(yīng)力最大值為14.04 MPa，與原型塔各工況相比，應(yīng)力最大值增大約1.27～2.53倍，均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，部分工況超過塔筒混凝土強度的抗拉設(shè)計值，導(dǎo)致混凝土開裂。與X向地震輸入工況相比，Z向輸入工況下應(yīng)力最大值有所增加。開洞前，人工波工況下塔筒應(yīng)力最大值相對最大，開洞后，El Centro波工況下塔筒應(yīng)力最大值相對最大，原因是El Centro波的卓越頻帶較寬，引起結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)最大。12 m洞口工況下洞口邊緣應(yīng)力最大值是15 m洞口下1.07～1.37倍，可判斷開洞大小對洞口局部應(yīng)力影響較大，洞口尺寸越小，洞口應(yīng)力集中相對越明顯。

表1 不同地震作用下原型塔及開洞塔塔筒最大Mises應(yīng)力

罕遇地震下不同冷卻塔的塔筒混凝土損傷云圖如圖2(d)、圖2(e)所示，由圖2(d)和圖2(e)可知，原型塔和12 m洞口塔的塔筒均未出現(xiàn)損傷，但在EI Centro波大震下15 m洞口塔的塔筒喉部出現(xiàn)了損傷，X向地震下?lián)p傷出現(xiàn)在喉部，Z向地震下?lián)p傷出現(xiàn)在洞口頂端附近。

(a1) EI Centro-X原型

2.3 洞口局部Mises應(yīng)力和軸向應(yīng)力

罕遇地震作用下開洞塔洞口處Mises應(yīng)力云圖如圖3所示。原型塔對應(yīng)開洞處最大應(yīng)力均比開洞塔塔筒的最大應(yīng)力相對要小。開洞后洞口邊緣最大應(yīng)力與表1中塔筒最大應(yīng)力完全相同，則進一步證實最大應(yīng)力均集中出現(xiàn)在洞口處，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。X向輸入地震波工況下，洞口邊緣主應(yīng)力沿洞口豎向軸線呈軸對稱分布，Z向輸入地震波工況下，洞口邊緣主應(yīng)力沿洞口中心呈旋轉(zhuǎn)對稱分布。開洞塔的X向反應(yīng)均小于Z向反應(yīng)，洞口邊緣壓應(yīng)力增大約1.04～1.38倍。

(a1) EI Centro-X洞口12 m

罕遇地震作用下開洞塔洞口處軸向應(yīng)力云圖如圖4所示，不同地震作用下開洞塔洞口最大軸向應(yīng)力見表2。原型塔對應(yīng)開洞處軸向應(yīng)力基本均為壓應(yīng)力。開洞后，洞口上下端中部軸向應(yīng)力出現(xiàn)了拉應(yīng)力，同時壓應(yīng)力最大值陡然增大，開洞工況最大壓應(yīng)力是原型塔對應(yīng)開洞處的3.38倍以上，洞口處出現(xiàn)典型的應(yīng)力相對集中現(xiàn)象，但無論拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力均未超過該混凝土的強度設(shè)計值。軸向應(yīng)力分布規(guī)律與Mises應(yīng)力分布規(guī)律類似。同時，開洞后El Centro波下塔筒軸向應(yīng)力最值相對最大。

(a1) EI Centro-X洞口12 m

表2 不同地震作用下開洞塔洞口最大軸向應(yīng)力

2.4 支柱軸向應(yīng)力云圖和彎矩

罕遇地震作用下開洞塔支柱軸向應(yīng)力云圖如圖5所示，不同地震波作用下各冷卻塔支柱軸向應(yīng)力最值見表3。地震作用下，支柱上下端部位是冷卻塔的典型薄弱部位，支柱軸向應(yīng)力最值基本均集中在一側(cè)柱頂(與塔筒連接處)和另一側(cè)的柱底(與支墩連接處)，支柱采用梁單元建模，不同地震下冷卻塔的支柱應(yīng)力基本沒有變化，但壓應(yīng)力均已經(jīng)超過混凝土的抗壓強度設(shè)計值，說明支柱部位已經(jīng)產(chǎn)生局部塑性損傷。X向和Z向地震輸入方向?qū)Σ煌愋屠鋮s塔的支柱軸向應(yīng)力影響較小。

(a1) EI Centro-X洞口12 m

表3 不同地震波作用下各冷卻塔支柱軸向應(yīng)力最值

不同地震波作用下各冷卻塔支柱彎矩最值見表4。由表4可知，開洞后冷卻塔的支柱彎矩相對略有減小，但降低的幅值不大。地震波不同的輸入方向?qū)χе鶑澗赜绊懖淮蟆?/p>

表4 不同地震波作用下各冷卻塔支柱彎矩最值

2.5 塔筒位移峰值

罕遇地震作用下原型塔及開洞塔的塔筒位移峰值見表5，由表5可知，各對比工況下塔筒位置峰值基本沒有變化，說明開洞與否對塔筒的整體位移反應(yīng)基本沒有影響。

表5 罕遇地震作用下原型塔及開洞塔的塔筒位移峰值

3 結(jié)論

罕遇地震作用下，原型冷卻塔及開設(shè)12 m×12 m和15 m×15 m洞口的冷卻塔的力學(xué)特性如下：

① 原型塔的塔筒應(yīng)力最大值基本均出現(xiàn)在塔筒支柱交界處及塔筒喉部兩處位置，最小值基本均出現(xiàn)在塔筒的頂端，塔筒混凝土均未出現(xiàn)損傷。

② 開洞塔塔筒應(yīng)力的最大值基本均出現(xiàn)在洞口邊緣，局部應(yīng)力會超過混凝土的抗拉強度設(shè)計值，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生開裂。洞口尺寸越小，洞口應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯。與X向相比，Z向地震作用下開洞塔塔筒應(yīng)力最大值有所增加。X向地震下洞口邊緣主應(yīng)力沿洞口豎向軸線呈現(xiàn)軸對稱分布，Z向地震下洞口邊緣主應(yīng)力沿洞口中心呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對稱分布。EI Centro大震下15 m×15 m洞口冷卻塔的塔筒出現(xiàn)了局部損傷，X向地震下?lián)p傷主要出現(xiàn)在喉部，Z向地震下?lián)p傷主要出現(xiàn)在洞口頂端附近。

③ 原型塔開洞處軸向應(yīng)力基本均為壓應(yīng)力。開洞塔在洞口上下端中部軸向應(yīng)力出現(xiàn)了拉應(yīng)力，同時壓應(yīng)力最大值陡然增大，但無論拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力均未超過混凝土的強度設(shè)計值。軸向應(yīng)力分布規(guī)律與主應(yīng)力分布規(guī)律基本相似。

④ 支柱軸向應(yīng)力最值主要集中在柱頂和柱底。不同地震下冷卻塔的支柱應(yīng)力基本沒有變化，但壓應(yīng)力均已超過混凝土抗壓強度設(shè)計值，說明支柱已經(jīng)產(chǎn)生局部塑性損傷。

⑤X向和Z向地震對不同冷卻塔的支柱軸向應(yīng)力影響不大。開洞與否及地震波輸入方向兩個因素均對支柱彎矩和塔筒峰值位移影響不大。