考虑桩土结构共同作用的大型冷却塔风致响应研究

摘要

大型冷却塔是一种典型的高耸薄壳结构，在工业生产中常被用作水循环冷却设备。近年来，冷却塔随着我国经济的快速发展朝着更高、更大的方向发展。冷却塔具有体量巨大、塔身高耸、壁厚极薄的特点，风荷载是其主要的控制荷载。当风流经冷却塔，顶部和底部由于端部三维流效应的存在，其流场与中部存在较大差异，导致顶部、中部和底部风压分布的不同。本文通过风洞试验，对冷却塔三维流效应进行研究，利用ANSYS有限元软件分别建立了冷却塔刚性地基有限元模型以及“塔筒-支柱-环基-桩”的一体化有限元模型，比较两种模型在自振特性、风致响应及局部稳定性上的差异，利用一体化有限元模型分析风洞试验及规范风压分布产生的结构风致响应及局部稳定性差异。此外，本文还对冷却塔建立了基于接触分析的单桩、群桩模型，计算水平群桩效率系数并建立基于水平群桩效率系数分析的一体化冷却塔有限元模型，为工程应用提供指导。主要研究内容包括以下几方面:
　　(1)冷却塔端部三维流效应研究。本文对冷却塔单塔进行风洞试验，并获得其风洞试验风荷载下的外表面风压分布，总结了各国规范对冷却塔外表面风压分布的规定并与风洞试验分布进行比较，分析端部三维流效应对冷却塔风压分布带来的影响。
　　(2)基于地基反力法的桩-土相互作用有限元模型。介绍规范推荐的水平桩土作用的计算方法，并将这些种计算方法获得的土体水平抗力-位移曲线运用于COMBIN系列弹簧单元，建立描述各深度下桩身土反力-位移相关关系的弹簧-梁单元模型，计算典型荷载工况下的单桩桩身响应并与FB-Pier专业桩基软件进行核对，发现p-y曲线法结果与实际的单桩受力响应最为接近。
　　(3)冷却塔一体化有限元模型数值模拟。建立刚性地基冷却塔有限元模型，获得风洞试验风荷载作用下的塔体风致响应及局部稳定性分析结果;利用弹簧-梁单桩模型，连结冷却塔上部结构与下部基础，建立考虑桩土相互作用的“塔筒-支柱-环基-桩”的一体化计算模型;通过分析平均风、脉动风响应，局部稳定性以及自身振动特性，比较了刚性地基模型与一体化模型的受力特性差异并以此模型计算比较了各国规范与风洞试验风荷载作用下冷却塔整体结构的风致响应及局部稳定性差异。
　　(4)基于接触分析的冷却塔有限元模型数值模拟。建立单桩土体接触分析模型，分析单桩在不同桩径、桩长、粘聚力、土体刚度以及内摩擦角工况下的水平极限承载力;建立针对冷却塔环基的承台-群桩模型，分析群桩在不同桩距工况下的水平群桩效率系数。
　　(5)建立基于水平群桩效率系数分析的一体化冷却塔模型，分析考虑群桩效率系数折减后冷却塔结构风致响应的变化;分析不同环基桩间距下冷却塔的风致响应差异，并给出合理布桩间距BC=4D。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．2 冷却塔的类型及工作原理

1．3 大型冷却塔的风荷载特性研究现状

1．4 考虑土-结构共同作用的结构分析研究现状

1．5 本文研究内容

第二章 大型冷却塔的表面风压分布研究

2．1 大型冷却塔风荷载标准值的计算方法

2．2 各国规范对冷却塔平均风压分布系数的规定

2．3 冷却塔表面风压的风洞试验研究

2．4 冷却塔风洞试验结果与规范的比较

2．5 本章小结

第三章 基于地基反力法的桩-土水平相互作用研究

3．1 桩-土水平相互作用的分析方法综述

3．2 各国规范对柱-土水平相互作用的规定

3．3 桩-土水平相互作用的有限元建模和分析

3．4 本章小结

第四章 基于“塔筒-支柱-环基-桩”模型的冷却塔风致响应研究

4．1 基于刚性地基模型的冷却塔风致响应研究

4．2 基于“塔筒-支柱-环基-柱”模型的冷却塔有限元建模

4．3 两种模型的风致响应及局部稳定性计算结果比较

4．4 基于风洞试验和规范风荷载的冷却塔风致响应研究

4．5 基于风洞试验和规范风荷载的冷却塔局部稳定性比较

4．6 本章小结

第五章 基于桩土接触分析的水平群桩效率系数研究

5．1 基于桩土接触分析的单桩承载力计算

5．2 基于桩土接触分析的群桩承载力计算

5．3 水平群柱效率系数的计算

5．4 本章小结

第六章 考虑水平群柱效率系数的冷却塔风致响应研究

6．1 基于群桩效率系数的冷却塔计算模型

6．2 考虑群桩效应系数的冷却塔自振特性

6．3 考虑群柱效应系数的冷却塔风致响应

6．4 环基柱间距对冷却塔风致响应的影响

6．5 本章小节

第七章 结论与展望

7．1 本文研究内容与相关结论

7．2 本文不足及对未来研究展望

参考文献

作者简介

作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果