一种冷却塔施工全过程风振系数取值方法

摘要

本发明公开了一种冷却塔施工全过程风振系数取值方法，其特征在于包含以下步骤：选定目标冷却塔，足尺建立N个典型施工工况冷却塔实体模型并进行大涡模拟，获得各施工工况结构表面脉动风压时程。分别进行各工况风振动力响应时程分析，并以迎风面0°子午向轴力为目标给出N个典型施工工况冷却塔结构风振系数取值。通过数值模拟获得N个典型施工工况冷却塔结构风振系数取值，拟合给出冷却塔施工全过程风振系数数值变化的取值公式。根据提出的冷却塔施工全过程风振系数拟合公式，可精确获得该冷却塔各施工模板层对应风振系数取值。本发明计算精确、便捷实用、科学合理等优点，有望在冷却塔结构抗风设计领域得到广泛应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风振系数取值方法，特别是一种冷却塔施工全过程风振系数取值方法。

背景技术

大型冷却塔是以承受风荷载为主的高耸空间薄壳结构，是工业领域尤其是火电厂和核电站的重要冷却工艺设施，其结构主体是由塔筒、支柱和环基构成，并以旋转轴对称的高大塔筒最为瞩目。风荷载是此类大型冷却塔结构设计的控制荷载，其结构抗风性能研究是风工程领域最为传统的研究内容。

随着我国能源结构的调整与电力建设事业的飞速发展，一批超出规范高度限值、突破世界记录的超大型冷却塔陆续兴建，例如已建成的宁夏方家庄电厂(210m)，在建的山西潞安长子高河电厂(220m)、陕西彬长电厂(210m)及内蒙古土默特右旗电厂(210m)等一系列超大型冷却塔，其高度的增加，进一步导致了结构刚度与稳定性的下降，且延长了结构的施工周期。同时，由于冷却塔一般采用翻模或爬模法施工，工期最快为三天两层模板，这导致了塔筒至少需要180天(半年)才可以施工完成封顶，并且是在没有考虑下雨或低温等因素影响的情况。随着超大型冷却塔高度与壁厚的增长及塔筒半径的增大，整体结构的施工需要花费更长的时间。由于施工状态的冷却塔结构体系不断改变且尚未形成最终状态，对于各施工阶段冷却塔静风响应与风振响应影响未有定论，可能会出现比成塔更为不利的状态。

因此，有必要提供一种可以为大型冷却塔的抗风设计及规范修订提供参考的冷却塔施工全过程风振系数取值方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种冷却塔施工全过程风振系数取值方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种冷却塔施工全过程风振系数取值方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：选定目标冷却塔；

步骤二：足尺建立N个典型施工工况冷却塔实体模型并进行大涡模拟，获得N个典型施工工况冷却塔结构表面脉动风压时程；

步骤三：建立N个典型施工工况冷却塔的有限元模型，并分别进行风振动力响应时程分析；

步骤四：获得各典型施工工况冷却塔结构内力或位移响应时程；

步骤五：以迎风面0°子午向轴力为目标给出N个典型施工工况冷却塔结构风振系数取值；

步骤六：针对冷却塔成塔(施工封顶状态)结构进行刚体测压风洞试验，获得外表面风压时程并进行风振响应时程分析，获得结构响应时程，并以迎风面0°子午向轴力为目标给出冷却塔成塔结构风振系数取值；

步骤七：将数值模拟N个典型施工工况中冷却塔成塔结构得到的风振系数结果与风洞试验结果进行对比，验证数值模拟计算的正确性与可行性；

步骤八：根据数值模拟获得N个典型施工工况冷却塔结构风振系数取值，拟合给出冷却塔施工全过程风振系数数值变化的取值公式；

步骤九：根据本发明提出的冷却塔施工全过程风振系数拟合公式，给出冷却塔各施工模板层风振系数取值。

进一步地，所述步骤一中目标冷却塔为自然通风双曲线型钢筋混凝土冷却塔。

进一步地，所述步骤二具体为，采用Rhino软件建立N个典型施工工况冷却塔三维实体模型，采用CFD大涡模拟(LES，Large EddySimulation)方法获得N个典型施工工况冷却塔三维气动力时程。

进一步地，所述步骤三具体为，应用有限元软件ANSYS建立N个典型施工工况冷却塔结构的有限元模型，各工况有限元模型建立后，加载CFD数值模拟获得的各施工工况对应的结构表面风压时程，进行风振时程动力分析。

进一步地，所述步骤四中，通过结构的风振动力响应分析，采用APDL(ANSYS Parametric Design Language)命令流程序提取N个典型施工工况各单元的子午向轴力与环向弯矩变化时程，及典型位置节点的径向位移变化时程。

进一步地，所述步骤五中，采用《工业循环水冷却设计规范》GB-T 50102-2014中相同的以迎风面0°子午向轴力为目标给出N个典型施工工况冷却塔结构风振系数取值。

进一步地，所述步骤六中，根据风洞试验阻塞率的要求按一定缩尺比设计、制作并进行冷却塔成塔结构刚体测压模型。

进一步地，所述步骤八中冷却塔施工全过程风振系数拟合公式为：

其中，β₀为成塔风振系数数值，x为施工模板层数，y为模板层数对应的风振系数取值，A、B、C为常数。

进一步地，所述冷却塔结构的有限元模型，塔筒及顶部刚性环采用空间壳单元建模，下部X型柱与环基采用空间梁单元模拟，塔筒与支柱通过多点约束单元耦合方式连接，有限元计算模型的总体坐标系以沿高度方向为Z轴，水平向对称结构分别为X轴和Y轴，其中X轴为顺风向，Y轴为横风向。

进一步地，以迎风面0°子午向轴力为目标响应计算冷却塔各节点风振系数，风振系数的定义为：

其中，β_Ri表示结点i的响应风振系数，R_i、R_ei、R_fi分别为结点i的总响应、平均响应和脉动响应，g为节点i的峰值因子。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、首次给出了自然通风双曲线型钢筋混凝土冷却塔施工全过程风振系数拟合公式，该公式考虑了冷却塔成塔整体结构的风振系数数值，同时可根据实际施工模板层获得对应模板层数冷却塔的风振系数取值；

2、该方法克服了传统风振系数计算中需进行对应施工模板层冷却塔结构的动态风荷载模拟和风振响应分析的局限，有效提高了冷却塔施工全过程风振系数取值的便携性与精确度，为双曲线型自然通风钢筋混凝土冷却塔的抗风动力分析提供了准确有效的风振系数取值。

附图说明

图1是本发明的一种冷却塔施工全过程风振系数取值方法的流程图。

图2是本发明的超大型冷却塔施工全过程典型工况参数列表。

图3是本发明的冷却塔成塔结构有限元模型示意图。

图4是本发明的冷却塔施工全过程八个典型施工阶段有限元模型示意图。

图5是本发明的冷却塔施工全过程各工况塔筒迎风面0°子午向轴力风振系数变化曲线示意图。

图6是本发明的以迎风面0°子午向轴力为目标各工况风振系数取值建议。

图7是本发明的冷却塔成塔迎风面0°子午向轴力响应均值变化曲线示意图。

图8是本发明的冷却塔成塔迎风面0°子午向轴力均方差变化曲线示意图。

图9是本发明的冷却塔成塔迎风面0°子午向轴力风振系数变化曲线示意图。

图10是本发明提出的拟合公式计算得到的冷却塔施工全过程各工况风振系数与数值模拟八个典型施工工况风振系数数值对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

除非上下文另有特定清楚的描述，本发明中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本发明并不对此进行限定。本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。

如图1所示，本发明的一种冷却塔施工全过程风振系数取值方法，包含以下步骤：

步骤一：选定目标冷却塔。

大型冷却塔为自然通风双曲线型钢筋混凝土冷却塔。实施例采用的冷却塔塔高为210.0m，喉部标高157.5m，进风口标高32.5m，零米直径为180.0m。塔筒采用52对X型支柱支撑并与环板基础连接，X型支柱采用矩形截面，截面尺寸为1.2m×1.8m，环板基础宽为12.0m，高为2.5m。处地貌类别为B类，10m高百年一遇最大风速为23.7m/s，对应风压为0.35kN/m²。

步骤二：足尺建立N个典型施工工况冷却塔实体模型并进行大涡模拟，获得N个典型施工工况冷却塔结构表面脉动风压时程。

综合考虑工程进度与计算精度采用Rhino软件建立8个典型施工高度冷却塔三维实体模型，如图2所示给出了所述冷却塔施工全过程典型工况参数列表。采用CFD大涡模拟(LES)方法获得冷却塔施工全过程三维气动力时程。

步骤三：建立N个典型施工工况冷却塔的有限元模型，并分别进行风振动力响应时程分析。

应用有限元软件ANSYS建立冷却塔结构的有限元模型，塔筒及顶部刚性环采用空间壳单元(Shell63)建模，下部X型柱与环基采用空间梁单元(Beam188)模拟，塔筒与支柱通过多点约束单元耦合方式连接。有限元计算模型的总体坐标系以沿高度方向为Z轴，水平向对称结构分别为X轴和Y轴，其中X轴为顺风向，Y轴为横风向，符合右手定则，如图3所示。由此分别建立冷却塔施工全过程八个典型工况有限元模型，如图4所示。加载CFD数值模拟计算得到的对应8个施工工况冷却塔表面风压时程，并进行风振时程动力分析。

步骤四：获得各典型施工工况冷却塔结构内力或位移响应时程。

通过结构的风振动力响应分析，采用APDL(ANSYS ParametricDesign Language)命令流程序提取结构各典型位置单元的子午向轴力与环向弯矩变化时程，以及典型位置节点的径向位移变化时程。

步骤五：以迎风面0°子午向轴力为目标给出N个典型施工工况冷却塔结构风振系数取值。

以迎风面0°子午向轴力为目标响应计算冷却塔各节点风振系数。在本实施例中，所述风振系数是响应风振系数。所述响应风振系数的计算公式具体如下：

式中：β_Ri表示结点i的响应风振系数，R_i、R_ei、R_fi分别为结点i的总响应、平均响应和脉动响应，g为节点i的峰值因子。

图5为加载CFD数值模拟获得的施工全过程8个典型工况对应脉动风压时程后，获得各施工工况塔筒迎风面0°子午向轴力风振系数变化曲线，并给出了风振系数的整体平均唯一取值，图6给出以迎风面0°子午向轴力为目标时各施工高度风振系数取值建议。

步骤六：针对冷却塔成塔(施工封顶状态)结构进行刚体测压风洞试验，获得外表面风压时程并进行风振响应时程分析，获得结构响应时程，并以迎风面0°子午向轴力为目标给出冷却塔成塔结构风振系数取值；

考虑到风洞试验段尺寸以及间冷塔的规模，按1:400缩尺比制作间冷塔通风筒测外压模型。间冷塔模型采用亚克力材料制成，具有足够的强度和刚度，在试验风速下不发生变形，并且不出现明显的振动现象，由此获得该冷却塔成塔结构表面脉动风压时程。

图7～图9分别给出了加载风洞试验风压获得冷却塔成塔结构迎风面0°子午向轴力响应均值、均方差及风振系数变化曲线，并给出了风振系数的整体平均唯一取值，最后给出以迎风面0°子午向轴力为目标时冷却塔成塔结构的风振系数为1.74。

步骤七：将数值模拟N个典型施工工况中冷却塔成塔结构得到的风振系数结果与风洞试验结果进行对比，验证数值模拟计算的正确性与可行性。

将数值模拟获得8个典型施工工况中冷却塔成塔结构的风振系数结果与风洞试验结果进行对比，得到加载数值模拟与风洞试验风压获得成塔结构的风振系数均为1.74，验证了数值模拟计算的正确性与可行性。

步骤八：根据数值模拟获得N个典型施工工况冷却塔结构风振系数取值，拟合给出冷却塔施工全过程风振系数数值变化的取值公式。

冷却塔施工全过程风振系数拟合公式为：

其中，β₀为成塔风振系数数值，x为施工模板层数，y为模板层数对应的风振系数取值，A、B、C为常数；

经过多次迭代计算，得到A＝2.526，B＝116.511，C＝1.32，则上式简化为：

将CFD数值模拟获得的八个典型施工工况对应风振系数与拟合公式获得的冷却塔逐级模板层风振系数进行对比，图10给出了相应的对比示意图。对比可知采用本发明提出的冷却塔施工全过程风振系数取值方法可以较好的预测冷却塔施工过程中风振系数的变化趋势。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。