表面風(fēng)壓分布對(duì)冷卻塔風(fēng)致響應(yīng)和局部穩(wěn)定性的影響

徐淵函， 沈國(guó)輝， 張 堅(jiān)， 劉顯群， 吳建國(guó)

(1.浙江大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程研究所，杭州 310058； 2.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310007)

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表面風(fēng)壓分布對(duì)冷卻塔風(fēng)致響應(yīng)和局部穩(wěn)定性的影響

徐淵函1， 沈國(guó)輝1， 張 堅(jiān)1， 劉顯群2， 吳建國(guó)2

(1.浙江大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程研究所，杭州 310058； 2.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310007)

針對(duì)規(guī)范和風(fēng)洞試驗(yàn)作用下冷卻塔的風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)差異進(jìn)行研究，對(duì)比中、英、德三國(guó)規(guī)范給出的冷卻塔平均風(fēng)壓分布系數(shù)，以某冷卻塔為例比較試驗(yàn)和規(guī)范的風(fēng)荷載差異，建立“塔筒-支柱-環(huán)基-樁”的冷卻塔一體化有限元模型，進(jìn)行不同的表面風(fēng)壓分布對(duì)冷卻塔風(fēng)致響應(yīng)和局部穩(wěn)定性的影響研究。研究表明：風(fēng)洞試驗(yàn)得到的平均風(fēng)壓分布系數(shù)在頂部和底部存在三維流分布；規(guī)范和試驗(yàn)風(fēng)荷載作用下冷卻塔各響應(yīng)的最值情況各有差異，其中對(duì)于人字柱和樁基軸力風(fēng)洞試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果最大；中、英、德規(guī)范計(jì)算的局部穩(wěn)定性系數(shù)非常接近，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果總體上大于規(guī)范結(jié)果，其最小值比規(guī)范結(jié)果大37.8%。

冷卻塔；風(fēng)洞試驗(yàn)；風(fēng)致響應(yīng)；局部穩(wěn)定性；有限元

風(fēng)荷載是大型雙曲冷卻塔的主要控制荷載，1965年渡橋電站冷卻塔的風(fēng)毀事件，引起了人們對(duì)冷卻塔風(fēng)荷載的極大關(guān)注。目前各國(guó)規(guī)范[1-4]對(duì)于風(fēng)荷載的規(guī)定都是基于平均風(fēng)壓分布系數(shù)沿高度不變的假設(shè)。中國(guó)規(guī)范[1-2]給出有無(wú)加勁肋塔的數(shù)據(jù)，英國(guó)[3]規(guī)范不區(qū)分，而德國(guó)規(guī)范[4]按表面粗糙度給出了6條典型分布曲線。

風(fēng)流經(jīng)冷卻塔，頂部和底部由于邊界效應(yīng)的存在，其流場(chǎng)與中部存在較大差異，導(dǎo)致頂部、中部和底部風(fēng)壓分布的不同，稱(chēng)為端部三維流效應(yīng)[5-8]。規(guī)范[1-4]給出的風(fēng)荷載均是基于平均風(fēng)壓分布系數(shù)沿高度不變的假設(shè)，而實(shí)際風(fēng)荷載存在明顯的三維流效應(yīng)，不同的荷載分布必然會(huì)導(dǎo)致不同的響應(yīng)差別。同時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載和規(guī)范風(fēng)荷載在數(shù)值上必然會(huì)存在差別，且各國(guó)規(guī)范在對(duì)冷卻塔風(fēng)荷載規(guī)定上也存在一定不同，對(duì)于這些差別的認(rèn)識(shí)尚沒(méi)有得到很好的分析。

基于以上背景，本文比較中、英、德三國(guó)規(guī)范給出的冷卻塔外表面風(fēng)壓分布系數(shù)，針對(duì)某180 m高冷卻塔進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，比較試驗(yàn)和規(guī)范的風(fēng)荷載分布以說(shuō)明端部三維流效應(yīng)，建立“塔筒-支柱-環(huán)基-樁”的一體化有限元模型，比較不同風(fēng)壓分布下冷卻塔各部位響應(yīng)的極大值及分布的差異，進(jìn)行冷卻塔的局部穩(wěn)定性計(jì)算，并比較穩(wěn)定性系數(shù)及出現(xiàn)位置的差異。研究可為冷卻塔風(fēng)洞試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)計(jì)算提供參考。

1 各國(guó)規(guī)范環(huán)向風(fēng)壓取值的規(guī)定

中國(guó)、英國(guó)和德國(guó)規(guī)范的規(guī)定如表1所示，均采用一條典型曲線來(lái)代表整個(gè)高度的分布，數(shù)據(jù)定義為風(fēng)壓與當(dāng)前高度速度壓的比值，在中國(guó)水冷卻規(guī)范[1]中稱(chēng)為“平均風(fēng)壓分布系數(shù)”，英國(guó)規(guī)范[3]稱(chēng)為“Pressure distribution”，德國(guó)規(guī)范[4]稱(chēng)為“Pressure coefficient”，本文統(tǒng)一稱(chēng)為“平均風(fēng)壓分布系數(shù)”。

中國(guó)規(guī)范給出的系數(shù)由余弦八項(xiàng)式組成，并分別給出無(wú)肋塔和有肋塔的數(shù)據(jù)。英國(guó)規(guī)范給出的系數(shù)與中國(guó)規(guī)范形式相同，但數(shù)值上已計(jì)入內(nèi)壓效應(yīng)，且認(rèn)為內(nèi)壓沿環(huán)向均勻分布，由于未給定內(nèi)壓的具體數(shù)值，若考慮其0°緯向角下外壓系數(shù)為1.0，則相對(duì)的內(nèi)壓系數(shù)約為-0.4。德國(guó)規(guī)范給出的系數(shù)與冷卻塔外表面粗糙度有關(guān)，根據(jù)表面粗糙度由大到小共分為6條典型分布曲線K1.0-K1.6，外表面粗糙度越小，曲線的最小負(fù)壓系數(shù)絕對(duì)值越大，風(fēng)壓環(huán)向分布的計(jì)算公式根據(jù)緯向角按分段函數(shù)形式給出，具體見(jiàn)表1。

圖1給出了中國(guó)、英國(guó)和德國(guó)規(guī)范冷卻塔外表面平均風(fēng)壓分布系數(shù)，其中英國(guó)規(guī)范已扣除內(nèi)表面的壓力系數(shù)。由圖1可知：①各國(guó)規(guī)范外表面最大正壓系數(shù)均出現(xiàn)在0°迎風(fēng)面，其值均約為1.0。②最小負(fù)壓系數(shù)出現(xiàn)在側(cè)風(fēng)面的70°～75°，德國(guó)規(guī)范給出的6條分布K1.0-K1.6曲線由于粗糙度不同，所得到的最小負(fù)壓系數(shù)也從-1.0變至-1.6。③中國(guó)規(guī)范無(wú)肋塔曲線在側(cè)風(fēng)面的負(fù)壓系數(shù)取值與K1.5曲線取值接近，中國(guó)規(guī)范有肋塔、英國(guó)規(guī)范曲線在側(cè)風(fēng)面的負(fù)壓系數(shù)與K1.3曲線取值接近。④德國(guó)規(guī)范認(rèn)為背風(fēng)面壓力系數(shù)受粗糙度影響甚微，不同曲線Cpe取值始終為-0.5。⑤中、英規(guī)范在背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)分布相近，相比德國(guó)規(guī)范數(shù)據(jù)相差約20%。

圖1 各國(guó)規(guī)范外表面風(fēng)壓分布Fig.1 External wind press distribution in different codes

規(guī)范環(huán)向平均風(fēng)壓分布系數(shù)的計(jì)算方法中國(guó)GB/T50102—2003CP(θ)=∑7k=0αkcoskθ無(wú)肋塔 αk=-0.0426,0.2451,0.6752,0.5356,0.0615,-0.1384,0.0014,0.0650帶肋塔 αk=-0.3923,0.2602,0.6024,0.5046,0.1064,-0.0948,-0.0186,0.0468英國(guó)BS_4485-4CP(θ)=∑7n=0αncosnθαn=-0.00071,0.24611,0.62296,0.48833,0.10756,-0.09579,-0.01142,0.04551德國(guó)VGB-K[n]n=1.0,1.1,1.2,1.3,1.5,1.61-c[sin(90θ/a)]d-n+e[sin(90(θ-a))/f]2.395-0.50°≤θ≤a°0°≤θ≤b°b°≤θ≤180°a=70,71,72,73,75,76b=91,93,95,97,102,104c=2.0,2.1,2.2,2.3,2.5,2.6d=2.257,2.239,2.205,2.166,2.104,2.085e=0.5,0.6,0.7,0.8,1.0,1.1f=21,22,23,24,27,28

2 某大型冷卻塔的風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 冷卻塔的尺寸和模型測(cè)點(diǎn)布置

某冷卻塔高180 m，塔頂半徑44.05 m，底部半徑72.7 m，喉部高135 m，喉部半徑40.76 m，模型如圖2所示。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀慰s尺比為1∶300。模型表面沿高度方向布置14層測(cè)點(diǎn)，每層沿環(huán)向均勻布置36個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置504個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖2 冷卻塔結(jié)構(gòu)及模型示意Fig.2 Geometry of cooling tower and its test model

風(fēng)洞試驗(yàn)的雷諾數(shù)與實(shí)際相差至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，需要采用一定方法來(lái)補(bǔ)償雷諾數(shù)在風(fēng)洞試驗(yàn)下的不匹配。已有研究[9-12]表明，通過(guò)提高冷卻塔表面粗糙度能夠在低雷諾數(shù)下模擬高雷諾數(shù)表面的繞流特性。本文采用在模型表面粘貼粗糙條的方法，沿模型外表面子午線方向均勻粘貼36條粗糙條，厚度分別為0 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm，0.8 mm。將喉部試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范、以往實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)比較，發(fā)現(xiàn)粗糙條厚度為0.4 mm時(shí)所得數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)及規(guī)范接近[10,13]，因此取該試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋砻娲植诙热?.4 mm。

2.2 風(fēng)場(chǎng)模擬

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)MA類(lèi)地貌，粗糙度指數(shù)α=0.12。風(fēng)速剖面滿足指數(shù)分布，湍流度剖面參考日本AIJ04荷載[14]規(guī)范有：

(1)

式中:Z是離地面高度，HT為梯度風(fēng)高度。

風(fēng)洞試驗(yàn)在浙江大學(xué)的ZD-1邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞為單回流閉口式，試驗(yàn)段長(zhǎng)18 m、寬4 m、高3 m。風(fēng)場(chǎng)測(cè)試采用丹迪4通道熱線風(fēng)速儀，圖3給出了A類(lèi)地貌平均風(fēng)速和湍流度剖面的模擬結(jié)果，圖中平均風(fēng)速以高度為H的塔頂處風(fēng)速VH進(jìn)行無(wú)量綱處理。由圖3可知風(fēng)洞風(fēng)場(chǎng)特性滿足A類(lèi)地貌試驗(yàn)要求。

圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M平均風(fēng)速及湍流度剖面Fig.3 Simulated profiles of mean velocity and turbulence intensity by wind tunnel test

2.3 外表面風(fēng)壓分布系數(shù)比較

圖4(a)給出風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載獲得的外表面平均風(fēng)壓系數(shù)的分布，可以發(fā)現(xiàn)在塔中段40 m到160 m處，平均風(fēng)壓分布系數(shù)沿高度方向變化較小，呈現(xiàn)二維分布特性，在底部和頂部的平均風(fēng)壓分布系數(shù)有明顯的變化，其迎風(fēng)面最大正值、側(cè)風(fēng)面最小負(fù)值相對(duì)于塔身中段均有不同程度的減小，此即為端部三維流效應(yīng)。圖4(b)給出了風(fēng)洞試驗(yàn)得到的各高度平均風(fēng)壓分布系數(shù)，并與各國(guó)規(guī)范數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)塔身中間高度135 m和93 m的平均風(fēng)壓分布曲線與中國(guó)規(guī)范無(wú)肋塔、德國(guó)規(guī)范K1.5較為接近，而兩端14 m與178 m高度下的數(shù)據(jù)和規(guī)范差別較大，同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，英國(guó)規(guī)范的最大負(fù)風(fēng)壓數(shù)據(jù)小于中國(guó)和德國(guó)規(guī)范。

圖4 風(fēng)洞試驗(yàn)外表面平均風(fēng)壓分布系數(shù)Fig.4 Distribution of external wind pressure distribution coefficient by wind tunnel test

3 冷卻塔的風(fēng)致響應(yīng)

3.1 冷卻塔的有限元建模

冷卻塔的有限元建?；贏NSYS軟件，建立“塔筒-支柱-環(huán)基-樁”的一體化有限元模型，見(jiàn)圖5。塔筒及底部環(huán)基采用空間殼單元SHELL181來(lái)模擬，沿周向分為288段，沿子午向分為132段；頂部加勁環(huán)梁及下部人字柱采用梁?jiǎn)卧狟EAM188來(lái)模擬；環(huán)基采用殼單元，共有2 304個(gè)單元；樁基采用力彈簧單元和力矩彈簧單元來(lái)模擬。本文只考慮風(fēng)荷載作用，平均風(fēng)壓分布系數(shù)分別取風(fēng)洞試驗(yàn)和中、英、德國(guó)規(guī)范數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖4(b))，其他參數(shù)如下：基本風(fēng)壓取0.824 kN/m2，風(fēng)振系數(shù)取1.6，群樁效應(yīng)系數(shù)根據(jù)相關(guān)規(guī)范計(jì)算取2.829。

圖5 冷卻塔有限元模型Fig.5 Finite element model of cooling tower

3.2 塔筒響應(yīng)比較

圖6給出了各組風(fēng)荷載作用下冷卻塔各高度殼單元徑向位移的包絡(luò)線，即給出同層單元最大正負(fù)值(以遠(yuǎn)離塔筒中心為正)。在表2中給出徑向位移在各種計(jì)算工況下的最值情況，達(dá)到最值時(shí)的數(shù)據(jù)背景采用灰色處理，其他工況同。由圖6可知：① 對(duì)于負(fù)位移，四條曲線計(jì)算結(jié)果分布基本一致，風(fēng)洞試驗(yàn)與英國(guó)規(guī)范結(jié)果最為接近，中、德規(guī)范結(jié)果在塔身中段100～140 m處的結(jié)果略大。② 對(duì)于正位移，在160 m以下高度四條曲線計(jì)算結(jié)果分布規(guī)律大體一致，但風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果最大，英國(guó)規(guī)范的結(jié)果最小；在160 m以上高度，受端部三維流影響風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果大于各國(guó)規(guī)范的結(jié)果。

圖6 各層單元徑向位移響應(yīng)幅值包絡(luò)線Fig.6 Distribution of the extreme value of displacement response in each storey

圖7給出了各組風(fēng)荷載作用下冷卻塔各高度殼單元子午向薄膜應(yīng)力的包絡(luò)線(以拉應(yīng)力為正)，由圖可知：① 對(duì)于負(fù)的薄膜應(yīng)力，40 m高度以下四種計(jì)算結(jié)果非常接近； 40 m～90 m高度中國(guó)和德國(guó)規(guī)范得到的

數(shù)據(jù)較大；90 m高度以上，中、德規(guī)范最大，英國(guó)規(guī)范數(shù)據(jù)次之，風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)最小。② 對(duì)于正的薄膜應(yīng)力，60 m高度以下四種計(jì)算結(jié)果非常接近；60 m高度以上，三國(guó)規(guī)范的結(jié)果比較接近，且均大于風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。③總體而言，風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的子午向薄膜力結(jié)果略小于規(guī)范結(jié)果，在表2中給出子午向薄膜應(yīng)力在各種計(jì)算工況下的最值情況，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果要小于三國(guó)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果。

圖7 各層單元子午向應(yīng)力幅值包絡(luò)線Fig.7 Distribution of the extreme value of stress force response in each storey

3.3 人字柱響應(yīng)比較

人字柱共有48對(duì)，如圖8所示，在圖示來(lái)流風(fēng)向下，左右分肢的受力情況對(duì)稱(chēng)，因此本文僅取1～48人字柱單元的左側(cè)柱進(jìn)行分析。圖9給出了各組風(fēng)荷載作用下冷卻塔人字柱的軸力(以壓力為正)，由圖可知：① 對(duì)于正的軸力，風(fēng)洞試驗(yàn)和三國(guó)規(guī)范計(jì)算得到軸力最大值均出現(xiàn)在1號(hào)柱位置，即在0°迎風(fēng)面附近，四組數(shù)據(jù)較為接近，英國(guó)規(guī)范的結(jié)果略小。② 對(duì)于負(fù)的軸力，風(fēng)洞試驗(yàn)和三國(guó)規(guī)范計(jì)算得到軸力最大值均出現(xiàn)在38號(hào)柱和39號(hào)柱位置，對(duì)應(yīng)于風(fēng)洞試驗(yàn)側(cè)風(fēng)面的70°～75°緯度角位置，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果最大，英國(guó)規(guī)范結(jié)果最小。③ 總體而言，四組荷載下人字柱的軸力較為接近，風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果略大，英國(guó)規(guī)范的結(jié)果最小，在表2中給出人字柱軸力在各種計(jì)算工況下的最值情況，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果相比較大。

表2 風(fēng)洞試驗(yàn)及各國(guó)規(guī)范響應(yīng)包絡(luò)值的比較

圖8 人字柱分布示意圖Fig.8 Distribution of herringbone column

圖9 人字柱截面軸力分布Fig.9 Axial force of herringbone column section

3.4 環(huán)基響應(yīng)比較

本文采用殼單元對(duì)環(huán)基進(jìn)行建模。由于環(huán)基與人字柱連接處的受力直接且變形明顯，該處單元受力響應(yīng)具有代表性，因此取環(huán)基與人字柱連接處48個(gè)單元進(jìn)行比較，單元編號(hào)如圖10所示。

圖10 環(huán)基與樁基分布示意圖Fig.10 Distribution of circular and pile foundation

圖11給出了人字柱連接處環(huán)基單元豎向位移Uz(以向上為正)和徑向截面彎矩Mz(以彎矩方向豎直朝上為正)，Mz為徑向截面沿徑向的彎矩。由圖11可知：① 對(duì)于豎向位移，風(fēng)洞試驗(yàn)與中、德規(guī)范的豎向位移結(jié)果較為接近，而英國(guó)規(guī)范豎向位移值略小；② 徑向截面彎矩Mz，中、德規(guī)范計(jì)算結(jié)果較大，而風(fēng)洞試驗(yàn)和英國(guó)規(guī)范結(jié)果略小。

圖11 環(huán)基豎向位移和彎矩響應(yīng)分布Fig.11 Vertical displacement and bending moment distribution of circular foundation

3.5 樁基響應(yīng)比較

圖12給出了樁基的軸力，單元編號(hào)如圖10所示。由圖12及表2可知：風(fēng)洞試驗(yàn)得到的最大上拔力相比中、英、德規(guī)范結(jié)果分別提高了1.40%、7.14%及0.13%，其計(jì)算結(jié)果與德國(guó)規(guī)范非常接近，英國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果偏??；風(fēng)洞試驗(yàn)得到的最大下壓力相比中、英、德規(guī)范結(jié)果分別提高了2.12%、14.44%及5.65%，英國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果偏小。

圖12 樁基截面軸力分布Fig.12 Axial force distribution of pile foundation section

4 局部穩(wěn)定性分析

冷卻塔是薄殼結(jié)構(gòu)，局部穩(wěn)定性是其設(shè)計(jì)主要考慮的因素。根據(jù)規(guī)范[1]，冷卻塔的局部穩(wěn)定性按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：σ1、σ2分別為環(huán)向和子午向薄膜應(yīng)力；KB為局部穩(wěn)定性系數(shù)；環(huán)向和子午向臨界壓力σcr1、σcr2按式(3)、(4)計(jì)算得到：

(3)

(4)

風(fēng)洞試驗(yàn)和三國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載作用下冷卻塔局部穩(wěn)定性系數(shù)KB在各高度的最小值(每個(gè)標(biāo)高處所有單元取最小值)如圖13，由于本文計(jì)算未考慮自重及內(nèi)壓效應(yīng)，故KB比規(guī)范[1]要求的5大很多。由圖13可知:① 四種工況下KB沿高度均呈現(xiàn)下端大中間小的趨勢(shì)，KB最小值出現(xiàn)在100 m高度附近。② 各國(guó)規(guī)范計(jì)算的KB曲線分布非常接近，但與風(fēng)洞試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果有較大差異。③ 當(dāng)高度小于80 m時(shí)，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范結(jié)果非常接近；當(dāng)高度在80 m～140 m之間時(shí)，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果大于規(guī)范結(jié)果，風(fēng)洞試驗(yàn)KB比規(guī)范結(jié)果大，曲線“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”的出現(xiàn)高度比規(guī)范結(jié)果略有降低；當(dāng)高度在140 m～160 m之間時(shí)，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果小于規(guī)范結(jié)果；當(dāng)高度大于160 m時(shí)，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果大于規(guī)范結(jié)果。④ 總體而已，中、英、德三國(guó)規(guī)范獲得的KB比較接近，而風(fēng)洞試驗(yàn)計(jì)算的KB大于三國(guó)規(guī)范結(jié)果，即針對(duì)局部穩(wěn)定性而言，按規(guī)范計(jì)算的結(jié)果比按風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果更為不利。

圖13 各層單元KB最小值沿高度分布Fig.13 Distribution of local stability coefficient KBof each storey along the height

圖14給出了風(fēng)洞試驗(yàn)和各國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載作用下各高度局部穩(wěn)定性系數(shù)KB取到最小值時(shí)出現(xiàn)的緯向角。由圖14可知：① 四種工況下KB最小值出現(xiàn)的緯向角曲線均在0.2H和0.8H附近發(fā)生轉(zhuǎn)折，呈現(xiàn)“三段式”趨勢(shì)。② 三個(gè)國(guó)家規(guī)范計(jì)算獲得的緯度角曲線均在70°側(cè)風(fēng)面或0°迎風(fēng)面附近。而風(fēng)洞試驗(yàn)KB出現(xiàn)位置與規(guī)范曲線略有不同，在170 m以上曲線從0°緯度角向兩邊“擴(kuò)散”，塔頂附近出現(xiàn)的緯度角在90°附近。

圖14 各層單元KB最小值出現(xiàn)位置分布Fig.14 Distribution of local stability coefficient KB in latitude direction

四種計(jì)算工況下冷卻塔局部穩(wěn)定性系數(shù)KB的最小值如表3所示，由表可知：①KB最小值出現(xiàn)的高度，對(duì)于中、英、德規(guī)范的結(jié)果均在103 m附近，而風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果在98.6 m。②KB最小值出現(xiàn)的角度，中、英、德規(guī)范在68°緯度角附近，而風(fēng)洞試驗(yàn)算得的結(jié)果出現(xiàn)在72.5°。③KB最小值的數(shù)據(jù)，中、英、德規(guī)范的數(shù)據(jù)為11.05左右，而風(fēng)洞試驗(yàn)算得的結(jié)果為15.23，比規(guī)范結(jié)果大37.8%。

表3 局部穩(wěn)定系數(shù)最小值KBmin比較

5 結(jié) 論

(1) 中、英、德三國(guó)對(duì)冷卻塔外表面風(fēng)壓系數(shù)的規(guī)定不盡相同，均未考慮平均風(fēng)壓分布系數(shù)沿高度的變化。風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的喉部數(shù)據(jù)與規(guī)范數(shù)據(jù)比較接近，但頂部和底部的平均風(fēng)壓分布系數(shù)與規(guī)范差距較大，該效應(yīng)即為端部三維流效應(yīng)。

(2) 建立冷卻塔的“塔筒-支柱-環(huán)基-樁”的一體化有限元模型，采用殼單元模擬環(huán)基，采用彈簧單元模擬樁基，基于該可計(jì)算得到冷卻塔各部位(包括環(huán)基和樁基)的風(fēng)致響應(yīng)，文中計(jì)算結(jié)果的合理性說(shuō)明該模型適用于求解冷卻塔的響應(yīng)。

(3) 對(duì)比中、英、德規(guī)范和風(fēng)洞試驗(yàn)作用下冷卻塔的風(fēng)致響應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)四套數(shù)據(jù)的結(jié)果總體比較接近，但各有差異。對(duì)于塔筒子午向的應(yīng)力，中國(guó)規(guī)范的結(jié)果較大；對(duì)于環(huán)基徑向截面沿徑向的彎矩，德國(guó)規(guī)范的數(shù)據(jù)較大；對(duì)于人字柱和樁基的軸力，風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)較大。因此對(duì)于大型冷卻塔，應(yīng)根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的三維風(fēng)壓分布進(jìn)行風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算，僅按規(guī)范的風(fēng)荷載計(jì)算會(huì)在某些響應(yīng)(如本實(shí)例的人字柱和樁基軸力)上會(huì)低估了實(shí)際值。

(4) 對(duì)比中、英、德規(guī)范和風(fēng)洞試驗(yàn)作用下冷卻塔的局部穩(wěn)定性系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)三國(guó)規(guī)范獲得的結(jié)果比較接近，基于風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果較大。規(guī)范計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)最小值發(fā)生的緯度角在0°和70°附近，風(fēng)洞試驗(yàn)在170 m以上出現(xiàn)在90°附近。對(duì)于系數(shù)最小值出現(xiàn)的位置，規(guī)范結(jié)果均在103 m和68°緯度角附近，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果在98.6 m和72.5°緯度角。規(guī)范計(jì)算的系數(shù)最小值約為11.05，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為15.23，比規(guī)范結(jié)果大37.8%。

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Influence of wind pressure distribution on wind-induced responses and local stability of a cooling tower

XU Yuanhan1, SHEN Guohui1, ZHANG Jian1, LIU Xianqun2, WU Jianguo2

(1. Institute of Structural Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;2. Electric Power Design Institute of Zhejiang Province, Hangzhou 310007, China)

The differences between wind-induced response of a cooling tower and its wind loads obtained from codes and those under wind tunnel tests were studied. A comparison was made among wind pressure distribution coefficients derived from Chinese, British and Germany codes. The wind loads on a large cooling tower obtained from tests and codes were compared. A finite element model for a tower shell-herringbone column-circular foundation-pile integration tower system was established. The influences of wind pressure distributions on wind-induced responses and local stability coefficients of the integration tower system were studied. The results showed that the wind pressure distribution coefficients on the top and bottom of the system are quite different from those on the middle of the system due to three-dimensional flow effects; the biggest values of wind-induced responses under tests and those from codes have differences, for example, the axial forces of herringbone columns and piles reach their biggest values under wind tunnel tests; the local stability coefficients of the system from Chinese, British and Germany codes are quite close to each other; the results of wind tunnel tests are larger than those of codes as a whole, the former’s minimum values are 37.8% larger than those of the latter.

cooling tower; wind tunnel test; wind-induced response; local stability; finite element analysis

國(guó)家自然科學(xué)基金(50608063)

2015-04-28 修改稿收到日期：2015-08-27

徐淵函 男，學(xué)士，碩士研究生，1991年11月

沈國(guó)輝 男，博士，副教授，1977年8月

TU312.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.19.011