大型钢结构冷却塔风荷载特性及风振系数研究

摘要

钢结构冷却塔较钢筋混凝土冷却塔自重更轻、柔性更大、阻尼更小、振型及传力路径更为复杂，其极值风压、受力性能、稳定性能和风致动力放大效应等安全性问题尚待研究。本文以国内拟建的首座超大直筒-锥段型钢结构冷却塔为研究背景，对其风荷载特性和风振响应进行了较为系统的研究。主要进行了以下五个方面的工作：
　　1.风荷载数值模拟：运用大涡模拟方法得到了直筒-锥段型钢结构冷却塔内外表面气动力时程和流场信息，通过与现场实测及风洞试验结果对比验证了数值模拟的有效性。在此基础上，研究了钢结构冷却塔内外表面风压分布规律，提出了直筒-锥段型钢结构冷却塔内外表面体型系数估算公式，并通过风场绕流分析对风压分布模式进行了机理解释。
　　2.风压非高斯特性和极值研究：通过对风压信号的概率密度曲线、高阶矩、空间相关性和流场形态进行研究，探讨了直筒-锥段型钢结构冷却塔表面风压非高斯特性的分布特征和形成机理，给出了非高斯区域的环向分布模式。在此基础上，对比分析了峰值因子和风压极值的分布规律，提出了直筒和锥段部分的一维/二维风压极值拟合公式及取值建议。
　　3.静风响应分析：分别建立了四种典型钢结构冷却塔有限元模型，对比分析了不同模型的动力特性和静风响应。在此基础上，系统研究了附属桁架、加强桁架、连接方式和内吸力效应等因素对大型钢结构冷却塔静风响应的影响规律。
　　4.稳定性能研究：探讨了不同结构形式和内吸力效应对钢结构冷却塔稳定性能的影响规律，提炼出有益于钢结构冷却塔结构设计的研究结论。
　　5.风振响应分析及风振系数取值探讨：基于时域法计算获得了直筒-锥段型钢结构冷却塔风致动力响应，提炼出风振响应及其风振系数分布规律。在此基础上，采用三种典型等效目标对层风振系数的选取标准进行探讨，给出了不同响应目标和等效目标对应的层风振系数和整体风振系数。最终，建议了此类直筒-锥段型钢结构冷却塔风振系数的二维估算公式。
　　最后，对本文的主要研究成果进行总结，并提出了值得进一步研究的工作。

目录

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 大型冷却塔简介

1.2 大型冷却塔表面风荷载研究

1.3 大型冷却塔风振响应研究

1.4 主要研究内容

第二章 风荷载数值模拟

2.1 工程背景

2.2 数值风洞理论

2.3 计算模型与参数设置

2.4 有效性验证

2.5 大型钢结构冷却塔平均风压分布特性

2.6 脉动风压分布特性及绕流机理分析

2.7 本章小结

第三章 表面风荷载非高斯特性和极值分布

3.1 非高斯特性分析

3.2 风压极值探讨

3.3 本章小结

第四章 静风响应分析及稳定性能研究

4.1 有限元建模

4.2 动力特性分析

4.3 计算参数

4.4 静风响应分析

4.5 内吸力效应对静风响应的影响

4.6 稳定性能研究

4.7 本章小结

第五章 风振效应分析及风振系数取值研究

5.1 时程计算理论

5.2 主筒风振响应

5.3 附属桁架风振响应

5.4 风振系数取值探讨

5.5风振系数估算公式

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要研究结论

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文