高位收水冷却塔集水槽结构设计

2015-03-22陈绍林

电力勘测设计 2015年3期

何磊，黄涛，陈绍林

(西南电力设计院，四川成都 610021)

随着我国的经济建设持续发展，对电力的需求不断加大。国内火力发电厂百万机组新建工程陆续增多，超大型自然通风冷却塔逐渐受到火力发电相关专业人士的重视。根据国家节能减排、低碳经济的要求，具有明显节能、降噪优势的高位水收水冷却塔具有广阔的应用前景，尤其是随着高位收水冷却塔逐步国产化后，其优势更加明显。

高位收水冷却塔不同于常规湿冷塔之处主要在于取消了常规湿冷却塔底部的集水池和雨区，而在填料层底部直接采用高位收水装置。冷却后的循环水经高位收水装置“U”型槽汇入集水槽至循环水泵房进水间，再经过循环水泵升压后送回主厂房循环冷却使用。

集水槽为地面式钢筋混凝土结构，百万机组的集水槽高度约在14～23 m之间，沿冷却塔径向布置，与中央竖井相连。在正常运行情况下，其内全部盛满循环冷却水，其结构设计采用传统的平面假定计算不能满足集水槽结构设计安全经济的要求。

1 集水槽结构形式及受力特点

以重庆地区某工程高位收水冷却塔集水槽为例，介绍高位收水冷却塔集水槽的结构形式及受力特点。重庆地区某工程冷却塔采用高位收水冷却塔，集水槽断面尺寸(B×H)：5.6 ×14.0 m，其地基形式为桩基。

集水槽为地面式钢筋混凝土结构，百万机组集水槽的高度在14～23 m，根据高位收水冷却塔淋水构架的柱网间距，沿集水槽纵向布置暗框架，暗框架顶梁上搁置单层配水槽，暗框架沿高度方向从上至下一定间距设置拉梁。暗框架与集水槽形成一个整体，共同受力。

集水槽主要承受集水槽内的内水压力作用，其次是单层配水槽传来的集中荷载及风荷载。内水压力随水深增加，压力越大，在内水压力作用下，集水槽壁板同时承受弯矩与拉力作用。采用传统平面假定方法不易准确计算出集水槽壁板承受的拉力，且不能根据水压力的特点进行变截面设计，同时忽略了暗框架与集水槽壁板作为一个整体，共同承受内水压力。

对于暗框架而言，采用传统平面假定计算，暗框架布置间距范围的内水压力全部由暗框架承受。由此计算计算出的暗框架结构尺寸偏大，忽略了集水槽侧壁共同受力的作用，计算方法偏保守。不能达到优化设计，节省工程造价的目的。

对于集水槽的桩基布置，传统的竖向荷载平均法计算出的桩数偏多，不易准确计算出桩承受的水平力。

由集水槽结构形式及受力特点分析可以看出，集水槽各部分构件之间是相互协同作用，共同承受集水槽内水压力及其他荷载。平面假定简化计算只能顾此失彼，不能进行整体计算。因此，为准确真实地模拟集水槽结构整体受力的特性，满足结构优化设计的目的，集水槽的结构设计有必要采用三维有限元整体分析计算。

2 集水槽有限元仿真计算

2.1 有限元模型

以重庆地区某工程高位收水冷却塔中央竖井左侧集水槽进行有限元三维建模，进行有限元整体结构计算。

集水槽底板、侧壁采用Shell181三维壳单元，暗框架柱、框架顶梁、拉梁，承台梁及灌注桩均采用Bea m188三维梁单元。Shell181及Bea m188单元能很好地模拟集水槽各部分构件。同时，在后处理时能提取集水槽侧壁、底板、暗框架柱及梁的弯矩、剪力及轴力，方便直接用于结构设计，进行配筋计算。三维模型中shell181壳单元共有7342个，Bea m188梁单元共计782个。

2.2 集水槽受力荷载及设计工况

集水槽为地面式钢筋混凝土结构，位于高位收水冷却塔收水装置下。其所受荷载为：

自重: 25 kN/m3

集水槽内水压力:为水深的线性函数，最大为140 kN/m2

风荷载：基本风压：0.40 kPa

集中荷载：单层配水槽传来的集中荷载，见表1。

集水槽内水压力作为面荷载作用于集水槽侧壁及底板，风荷载作为面荷载作用于集水槽侧壁，单层配水槽传来的集中荷载作用于集水槽暗框架顶梁上。

表1 暗框架顶梁集中荷载设计值 (单位：kN)

集水槽有限元分析时分三种工况设计:

工况1：集水槽修建完成后，未投入运行，仅受风荷载。

工况2：集水槽修建完成后，投入正常运行，不受风荷载。

工况3：集水槽修建完成后，投入正常运行，受风荷载。

内力分析中，取以上3种工况中最不利组合进行结构设计。

2.3 集水槽壁板内力分析

在上述荷载及工矿组合下，采用ANSYS有限元软件进行静力计算，通过后处理后便能对集水槽各部分构件进行内力分析及结构设计。

图1 集水槽整体位移图

集水槽内力分析可以分为集水槽壁板和暗框架(包括暗框架柱、暗框架顶梁、拉梁及承台梁)。集水槽整体位移变形见图1，由图可以看出，集水槽暗框架在⑥轴线变形最大，集水槽壁板在①、②与⑤、⑥轴线之间变形最大。集水槽的最大变形约为14 mm。

集水槽壁板内力分析取①、②轴线跨中(X=10.4 m)、⑤、⑥轴线跨中(X=43.2 m)及沿集水槽高度方向(Z=5.0 m)处进行内力分析。

图2 集水槽①、②轴线中间壁板内力(X=10.4 m)

图3 集水槽⑤、⑥轴线中间壁板内力(X=43.2 m)

由图2、图3内力曲线可以看出，集水槽壁板竖向、水平向均同时承受拉力和弯矩。水平向所受拉力大于竖向，越靠近集水槽底部，水压力越大，水平向所受约束也约大，所受的拉力越大，最大拉了为657 kN/m，弯矩最大约－267 kN· m/m。

图4 集水槽高度壁板内力(Z=5 m)

由图4可以看出，沿集水槽长度方向(水平向)，暗框架柱类似于集水槽壁板的支座，集水槽壁板的水平与竖向弯矩图类似于连续梁，但与连续梁弯矩不同之处在于，集水槽壁板同时受拉力，且集水槽水平向的拉力远大于竖向所受拉力。由图4可知，水平向最大弯矩为－258 kN· m/m，最大拉力为687 kN/m；竖向最大弯矩为465 kN· m/m，最大拉力为113 kN/m。因此，集水槽壁板应按拉弯构件进行配筋计算。

2.4 集水槽暗框架内力分析

集水槽暗框架由暗框架柱、暗框架顶梁、拉梁及暗框架承台梁组成。由图5可以看出，暗框架柱双向受弯，轴力为压力，最大压力约为－3160 kN，双向最大弯矩分别为1761 kN· m及789 kN· m。暗框架顶梁为纯弯构件，轴力很小，可忽略，最大弯矩出现在③轴线暗框架顶梁上，约为2291 kN· m。

图5 暗框架柱及顶梁内力

由图6可以看出，暗框架拉梁主要受力为轴向拉力，弯矩很小，越靠近集水槽底部，拉梁所受的轴向拉力越大，与水压力的特性一致；拉梁的最大拉力为 3012 kN，最大弯矩为126 kN· m。暗框架承台梁同时承受轴向拉力及弯矩，为拉弯构件，承台梁的最大弯矩为3077 kN· m，最大轴向拉力为 1258 kN。