間接空冷塔加肋設(shè)計(jì)

叢培江，聶冠松，李敬生，宋良華

(東北電力設(shè)計(jì)院，長春市，130021)

0 引言

間接空冷塔(以下簡稱間冷塔)由于具有節(jié)水的特點(diǎn)，運(yùn)行費(fèi)用比直接空冷塔低，近年來在缺水地區(qū)的電廠已得到廣泛應(yīng)用。但是與同等容量機(jī)組的濕冷塔相比，間冷塔塔體規(guī)模、設(shè)計(jì)難度和風(fēng)險(xiǎn)較大。風(fēng)荷載是間冷塔承受的主要荷載，在塔筒外表面加肋，可以大大降低由風(fēng)壓引起的塔筒、支柱及環(huán)基內(nèi)力。為保證間冷塔結(jié)構(gòu)的安全性，需要對間冷塔塔筒加肋技術(shù)進(jìn)行專門研究，為間冷塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。郭維勝在《通風(fēng)筒的加肋技術(shù)》［1］中，對國內(nèi)外的塔筒加肋現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查研究，指出自然通風(fēng)冷卻塔的加肋技術(shù)在國際上已經(jīng)普遍應(yīng)用，加肋技術(shù)成熟、可靠，施工難度不大，可以在國內(nèi)大力推行。蔡曉明［2］、崔虹等［3］從施工的角度，對自然通風(fēng)冷卻塔的加肋技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。國內(nèi)已經(jīng)建成的加肋間冷塔較少，山西陽城電廠二期工程的間冷塔采用的是加肋技術(shù)，目前該塔運(yùn)行良好。

本文運(yùn)用ANSYS軟件對間冷塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體有限元分析，并根據(jù)Q/DG1-S012—2011《超大型冷卻塔設(shè)計(jì)導(dǎo)則》［4］中的風(fēng)壓分布公式，對加肋與無肋2種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)合工程實(shí)例，分析了加肋對塔筒、支柱及環(huán)基的影響，總結(jié)了間冷塔采用加肋技術(shù)后其結(jié)構(gòu)的受力特性。

1 加強(qiáng)肋與塔筒的風(fēng)壓分布曲線

1.1 加強(qiáng)肋的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)《超大型冷卻塔設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，塔筒加強(qiáng)肋的布置及結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。圖中aR和hR為1/3塔筒高度處的平均肋間距和平均肋高，m，一般aR應(yīng)不大于塔筒平均周長的1/50，可取1/3塔高處的周長;a為肋的寬度，m;m為0.2～0.5。

圖1 子午向肋條布置及肋條截面Fig.1 Layout and section for meridian rib

1.2 塔筒設(shè)計(jì)風(fēng)壓及風(fēng)壓分布系數(shù)

冷卻塔表面的等效風(fēng)載 w(z，θ)按下式計(jì)算［5-6］:

式中:w0為基本風(fēng)壓，kPa;CP(θ)為平均風(fēng)壓沿環(huán)向分布系數(shù);μz為風(fēng)壓沿高度分布系數(shù);β為風(fēng)振系數(shù)。

1.2.1 無肋塔風(fēng)壓系數(shù)

風(fēng)壓分布系數(shù)ak的取值為:a0=－0.442 6，a1=0.245 1，a2=0.675 2，a3=0.535 6，a4=0.061 5，a5= －0.138 4，a6=0.001 4，a7=0.065 0。

1.2.2 加肋塔風(fēng)壓系數(shù)

(1)ACI 334加肋塔風(fēng)壓分布曲線。根據(jù)《超大型冷卻塔設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，風(fēng)壓分布系數(shù)ak的取值為:a0=－0.392 3，a1=0.260 2，a2=0.602 4，a3=0.504 6，a4=0.106 4，a5= －0.094 8，a6= －0.018 6，a7=0.046 8。

(2)尼曼風(fēng)壓分布曲線。根據(jù)《超大型冷卻塔設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，尼曼風(fēng)壓分布曲線選用參見表1，風(fēng)壓分布系數(shù)ak的取值參見表2。

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2 加肋與無肋間冷塔的結(jié)構(gòu)受力特性

2.1 工程概況

某工程間冷塔設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓為0.81 kN/m2，30年一遇極端最低設(shè)計(jì)氣溫為 －36.6℃。塔高為161.00 m，進(jìn)風(fēng)口高度為 29.50 m，殼底直徑為131.52 m，喉部直徑為99.60 m，殼頂徑為103.64 m，殼頂傾角為5.0°，殼底傾角為16.0°。子午向加強(qiáng)肋共60條，aR取1/3塔高處周長的1/60，為5.738 m，hR/aR為0.026，對應(yīng)的尼曼曲線為K1.0。塔筒幾何尺寸及加強(qiáng)肋截面尺寸如圖2、3所示。

2.2 有限元模型［7-8］

應(yīng)用通用有限元分析軟件ANSYS對冷卻塔的殼體、支柱、環(huán)基等進(jìn)行有限元分析［7-11］。支柱采用BEAM188梁單元模擬;殼體采用SHELL63殼單元模擬;環(huán)基采用BEAM188梁單元模擬。有限元模型如圖4所示。

2.3 結(jié)構(gòu)受力特性

2.3.1 塔筒受力特性

塔筒設(shè)計(jì)風(fēng)壓分布曲線，分別采用無肋風(fēng)壓分布曲線(A型)、ACI 334加肋風(fēng)壓分布曲線(B型)、K1.0尼曼曲線(C型)。以0°、72°子午向殼單元為例，分析風(fēng)荷載引起的間冷塔殼體內(nèi)力分布規(guī)律如圖5所示。

圖4 間冷塔有限元模型Fig.4 FEA model of indirect dry cooling tower

圖5 殼體內(nèi)力分布規(guī)律Fig.5 Internal force distribution of tower cylinder

由圖5可知，采用加肋技術(shù)，風(fēng)壓引起的間冷塔殼體內(nèi)力均有不同程度的減小，特別是在K1.0尼曼曲線加肋情況下，有較大程度的減小。經(jīng)計(jì)算分析，0°子午向殼單元內(nèi)力平均減小20%，72°子午向殼單元內(nèi)力平均減小40%。

2.3.2 X支柱受力特性

通過對3種風(fēng)壓分布曲線的計(jì)算，X支柱內(nèi)力極值比較見表3，內(nèi)力分布規(guī)律如圖6所示。

表3 X柱內(nèi)力極值比較Tab.3 Extremum comparison of internal force for X column

通過以上數(shù)據(jù)可知，相對于無肋型塔，加肋型塔的X柱內(nèi)力大部分有不同程度的減小，特別是在滿足K1.0尼曼曲線加肋情況下，X柱內(nèi)力極值減小較多。

圖6 X支柱內(nèi)力分布規(guī)律Fig.6 Internal force distribution of X column

2.3.3 環(huán)基受力特性分析

通過對3種風(fēng)壓分布曲線的計(jì)算，環(huán)基內(nèi)力極值比較如表4所示。

表4 環(huán)基內(nèi)力極值比較Tab.4 Extremum comparison of internal force for circular foundation

通過以上數(shù)據(jù)可知，相對于無肋型塔，加肋型塔的環(huán)基內(nèi)力均有不同程度的減小，特別是在滿足K1.0尼曼曲線加肋情況下，環(huán)基內(nèi)力極值減小較多。

2.4 局部穩(wěn)定性分析

塔筒設(shè)計(jì)風(fēng)壓分布曲線分別采用無肋風(fēng)壓分布曲線、ACI 334加肋風(fēng)壓分布曲線、K1.0尼曼曲線。最小局部屈曲穩(wěn)定系數(shù)見表5。

表5 最小局部屈曲穩(wěn)定系數(shù)Tab.5 Minimum stability coefficient of local buckling

由表5可知，相對于無肋型塔，塔加肋后最小局部穩(wěn)定性系數(shù)略有提高，特別是在滿足K1.0尼曼曲線加肋情況下，局部屈曲穩(wěn)定系數(shù)提高較多。

3 結(jié)論

(1)通過比較分析塔筒內(nèi)力可知，相對于無肋塔，塔筒加肋后內(nèi)力有所減小，特別是在滿足K1.0尼曼曲線加肋情況下，內(nèi)力有較大程度的減小。主要原因是，在塔筒外表面加肋，可以增加其表面的粗糙度，有效降低風(fēng)壓分布的影響，從而減小塔筒、支柱及環(huán)基的內(nèi)力。

(2)通過比較分析X支柱與環(huán)基內(nèi)力可知，相對于無肋塔，塔筒加肋后內(nèi)力有所減小，特別是在滿足K1.0尼曼曲線加肋情況下，內(nèi)力極值有較大程度的減小。在間冷塔設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)荷載的組合系數(shù)取1.4，在滿足K1.0尼曼曲線加肋情況下，相對于無肋塔，風(fēng)壓引起的塔體內(nèi)力將減小更多。

(3)通過比較分析局部穩(wěn)定性可知，相對于無肋塔，塔筒加肋后最小局部穩(wěn)定性系數(shù)略有提高，特別是在滿足K1.0尼曼曲線加肋情況下，局部屈曲穩(wěn)定系數(shù)提高較多。

(4)塔筒加肋后，塔筒、X支柱、環(huán)基的內(nèi)力均有不同程度的減小，雖然施工難度有所增加，但能夠提高塔的結(jié)構(gòu)安全性并節(jié)省鋼筋用量。因此，在進(jìn)行超大型間冷塔施工圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)推廣使用加肋技術(shù)。

［1］郭維勝.通風(fēng)筒的加肋技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2009.

［2］蔡曉明.帶肋空冷塔上部結(jié)構(gòu)的施工方法分析［J］.山西電力，2008(5):21-23.

［3］崔虹，孫成江.國內(nèi)最大空冷塔的帶肋筒壁施工［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2007，40(S1):105-110.

［4］Q/DG1-S012—2011超大型冷卻塔設(shè)計(jì)導(dǎo)則［S］.北京:中國電力出版社，2011.

［5］GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［6］GB 50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［7］朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用［M］.北京:中國水利水電出版社，2004.

［8］葉先磊，史亞杰.ANSYS工程分析軟件應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［9］盧文達(dá)，顧皓中.帶有環(huán)向肋的雙曲冷卻塔的線性穩(wěn)定分析［J］.應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，1989(7):559-567.

［10］李龍?jiān)?，盧文達(dá).加肋雙曲冷卻塔的非線性穩(wěn)定分析［J］.應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，1989(2):105-110.

［11］北京大學(xué)固體力學(xué)研究室.旋轉(zhuǎn)殼體的應(yīng)力分析［M］.北京:中國水利水電出版社，1979.