大型双曲冷却塔风致响应和等效风荷载研究

摘要

大型双曲冷却塔在电力、石油、核能等行业中有重要应用,近年来随着这些行业的发展,冷却塔也被大量兴建。但我国设计规范是基于上世纪80年代的成果,而现代冷却塔体量越来越大,很多已经超出规范规定的适用范围。对冷却塔而言风荷载往往是其控制荷载,因此对冷却塔的动力特性及其风致响应和等效风荷载的研究具有重要意义。
　　 本文首先对某双曲冷却塔进行了风洞试验,确定了其表面风荷载分布特性。然后回顾了渡桥电厂冷却塔倒塌事故,通过分析渡桥冷却塔与双曲线型冷却塔塔型差异而导致的响应特性的不同,探讨倒塌事故的塔型因素。对现代双曲冷却塔,首先建立多组不同形状参数的冷却塔有限元模型,分析冷却塔自振特性与各参数之间的关系,并总结各组数据给出了一阶频率和倾覆频率的拟合公式,经过与实测数据和有限元分析结果的比较,验证了该公式的可靠性。然后基于风洞试验数据,分别采用时域和频域方法分析了冷却塔在风荷载作用下的响应,并分别采用GLF法、三分量法和模态分解法计算了其的等效风荷载.最后讨论了冷却塔在考虑土体相互作用后其响应的差异.
　　 本文的主要结论有:对渡桥冷却塔倒塌的分析表明,在风荷载作用下,渡桥塔型的径向位移和子午向薄膜力均比双曲塔型大很多,其筒体受拉部分混凝土更容易开裂,子午向钢筋受力偏大更易屈服。因此塔型不合理是渡桥电厂冷却塔倒塌的重要原因之一,这是对传统结论的重要补充。对冷却塔自振特性的分析表明,其一阶频率和倾覆频率均与混凝土的材料参数√E/ρ、简体厚度成线性关系,与高度成反比,与人字柱总截面面积和子午线退化参数呈二次曲线关系.对风致响应的分析表明:平均风荷载作用下,冷却塔的径向位移和子午向薄膜力均在0°和70°子午线上取得极值;脉动风作用下,时域与频域的计算结果略有差异,其主要原因是两者的计算模型并不完全等效。等效风荷载的计算表明,GLF法偏于保守,三分量法和模态分解法计算结果有一定差异,但均可保证大多数等效目标响应达到最大,但在个别节点处结果并不理想.而考虑土体相互作用后,冷却塔自振频率显著降低,位移响应显著增大,但子午向薄膜力响应却略有减小.

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 绪论

1.1 冷却塔简介

1.1.1 冷却塔的功能及其重要性

1.1.2 冷却塔的分类及其组成

1.1.3 大型双曲冷却塔的工作原理

1.2 冷却塔的发展历史

1.3 大型双曲冷却塔的基本形状参数

1.4 本文的研究意义

1.5 本文的主要研究内容

第二章 冷却塔风洞试验介绍

2.1 风洞试验简介

2.2 试验数据处理及粗糙度选择

2.3 本征正交分解(POD)

2.3.1 POD法基本原理

2.3.2 测点风压数据的POD分析

2.4 本章小结

第三章 渡桥电厂冷却塔倒塌的塔型因素分析

3.1 渡桥电厂冷却塔事故回顾

3.2 冷却塔的有限元模型

3.2.1 渡桥塔型

3.2.2 双曲线型塔型

3.3 自振特性分析

3.4 自重作用下的响应

3.5 我国规范平均风荷载作用下的响应

3.5.1 我国规范对冷却塔风荷载的规定

3.5.2 径向位移响应

3.5.3 子午向薄膜力响应

3.5.4 环向薄膜力响应

3.6 风洞试验脉动风荷载作用下的响应

3.6.1 径向位移响应

3.6.2 子午向薄膜力响应

3.7 本章小结

第四章 冷却塔的自振特性

4.1 研究现状

4.2 冷却塔的有限元模拟方法

4.3 某典型冷却塔的自振特性分析

4.4 冷却塔自振特性的参数分析

4.4.1 混凝土弹性模量和密度的影响

4.4.2 人字柱的影响

4.4.3 冷却塔高度的影响

4.4.4 冷却塔筒体厚度的影响

4.4.5 子午线退化参数的影响

4.5 自振频率的公式拟合

4.5.1 公式拟合

4.5.2 拟合参数的关联性问题

4.5.3 拟合公式与实测结果的比较

4.6 本章小结

第五章 冷却塔的风致响应分析

5.1 研究现状

5.2 平均风作用下的响应

5.2.1 径向位移响应

5.2.2 子午向薄膜力响应

5.2.3 环向薄膜力响应

5.2.4 子午向薄膜弯矩响应

5.2.5 环向薄膜弯矩响应

5.3 脉动风作用下的时域响应

5.3.1 径向位移响应

5.3.2 子午向薄膜力响应

5.4 脉动风作用下的频域响应

5.4.1 频域法的基本原理

5.4.2 径向位移的均方根响应

5.4.3 时、频域计算结果差异分析

5.5 本章小结

第六章 冷却塔的等效静力风荷载

6.1 研究现状

6.2 阵风荷载因子法

6.2.1 基本理论

6.2.2 冷却塔的阵风荷载因子

6.3 三分量法

6.3.1 基本理论

6.3.2 冷却塔的背景和共振等效风荷载

6.4 模态分解法

6.4.1 基本原理

6.4.2 冷却塔的等效风荷载

6.5 等效风荷载计算方法的比较

6.6 本章小结

第七章 考虑土体相互作用的冷却塔风致响应

7.1 有限元模型

7.2 自振特性

7.3 平均风荷载作用下的响应

7.3.1 径向位移响应

7.3.2 子午向薄膜力响应

7.3.3 筏基础沉降

7.4 脉动风作用下的响应

7.4.1 径向位移响应

7.4.2 子午向薄膜力响应

7.4.3 极大值响应

7.5 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 本文主要结论

8.2 对进一步研究的展望

参考文献

作者简介