高地震烈度区大型间接空气冷却塔的结构静动力分析

宋良华，高 岚，马 超

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021）

随着投产机组功率越来越大，火力发电厂用水量随之增大。在我国北部的大部分干旱少雨地区，虽然煤炭资源丰富，但水资源匮乏，为了节水，许多电厂采用了间接空气冷却塔（以下简称间冷塔）进行冷却，与同等容量机组的湿冷塔相比，间冷塔塔体规模更大，而在目前建造间冷塔的地区，多为风压大、温差大的地区。在间冷塔的设计中，对风荷载及温度应力的作用研究的比较多，对超大型间冷塔建在高烈度地震高发区域的研究比较少。对于受力复杂的大塔，在进行各种组合工况的计算中，对于塔的某些部位及塔的抗震计算是设计中的控制因素。为保证间冷塔结构安全性并尽可能降低造价，需对间冷塔的各结构部位优化进行研究，选择合理的安全可靠的结构断面。以下结合某工程实例，运用ANSYS软件进行间冷塔结构的整体有限元分析，按照实际尺寸建立有限元分析模型，对其进行静、动力荷载组合分析和抗震时程分析计算，总结大型间冷塔各结构部位所受控制的荷载工况，为高地震区间冷塔的结构选型和设计提供依据。

1 塔的静、动力分析计算［1］

1.1 塔的强度及裂缝计算的荷载工况

a.承载能力极限状态。工况1：1.0自重荷载＋1.4风荷载＋0.6温度荷载；工况2：1.0自重荷载＋0.84风荷载＋1.0 温度荷载；工况3：1.0 自重荷载＋1.4风荷载；工况4：1.2自重荷载＋1.3水平地震效应荷载＋0.5竖向地震效应荷载＋0.35 风荷载＋0.6温度荷载。

b.正常使用极限状态（用于验算塔筒及刚性环裂缝）。工况5：1.0自重荷载＋1.0风荷载＋0.6温度荷载；工况6：1.0自重荷载＋0.6风荷载＋1.0温度荷载。以上自重荷载、风荷载、温度荷载均为标准值效应。

1.2 塔的静、动计算

1.2.1 静力计算

a.对模型分别在自重、风、温度荷载等不同工况作用下，计算出其内力标准值。

b.对各种荷载作用下的效应按照所选取的工况进行不同组合，得出相应组合工况下间冷塔的内力值。

c.按照承载能力极限状态计算各组合工况下的塔体配筋量；按照正常使用极限状态计算各组合工况下，能够满足GB 50191—2010《混凝土结构设计规范》要求裂缝宽度的塔体配筋量。

1.2.2 动力计算［2］

a.对模型在地震荷载工况作用下，计算出内力标准值。对于8度、9度地区的塔应采用振型分解反映谱法计算地震力，同时采用时程分析法进行补充计算，并考虑水平和垂直两个方向上的地震加速度作用，竖向地震影响系数的最大值，采用水平地震影响系数的0.65倍。地震影响系数曲线见图1。

图中a为地震影响系数；amax为地震影响系数最大值；n1为直线下降段的下降斜率调整系数；r为衰减指数；Tg为特征周期；n2为阻尼调整系数；T为结构自振周期；￡为阻尼比。

r＝0.9＋（0.05－￡）/（0.3＋6￡）

n1＝0.02＋（0.05－￡）/（4＋32￡）

n2＝1＋（0.05－￡）/（0.08＋1.6￡）

b.考虑到地震荷载在与风荷载组合时，有风向和地震波方向的选择，为了简化计算，将风荷载按照沿圆周每10°角的方向作用于塔上，计算出沿圆周各个方向作用风荷载的内力标准值，地震组合工况内力计算时，将不同风荷载方向的内力分别与地震力、自重及温度等荷载进行组合，最后计算出按照承载能力极限状态地震组合工况下的塔体配筋。

c.根据计算结果，筛选出塔环基、X支柱及塔筒沿高度方向的最大控制配筋面积。

d.综合考虑塔的静力计算及动力计算结果，最后筛选并确定塔的各部位，包括环基、X支柱及塔筒的配筋。

2 塔的有限元结构配筋计算分析

2.1 工程概况

某工程间冷塔设计主要参数为，厂址地区50年超越概率为10%的地震动峰值加速度为0.358g（该地区地震划分地震基本烈度为Ⅷ度第三组），地震动反应谱特征周期为0.65s；该地区的基本风压为0.56kN/m2，极端最高气温为39.9 ℃，极端最低气温为－24.2 ℃；塔的进风口直径为130.394m，进风口高度为31m，喉部直径为87.7m，喉部标高为150m，塔顶出口直径为89.4m，冷却塔塔高为168 m；壳底倾角为16°，X支柱为48对。

2.2 有限元模型的建立

运用ANSYS软件进行间冷塔结构的整体有限元分析，按照实际尺寸，建立有限元分析模型，支柱用Beam188梁单元模拟，每根支柱等分为4个梁单元，共有384 个梁单元。壳体采用Shell63 壳体单元模拟。壳体沿环向分为192份，沿子午向按模板分为108份，共有20 736个壳体单元。地基环梁采用beam188梁单元模拟，每个跨内分为4 个梁单元，共有192个梁单元。

2.3 有限元分析计算［3］

2.3.1 载荷概况

自重荷载加速度取9.8 m/s2。风载荷取基本风压0.56kPa，结构重要性系数取1.0，风振系数取1.9，塔群影响系数为1.0，风压沿高度z变化系数为：

图1 地震影响系数曲线

式中：θ为沿环向角度；无肋情况下a0～a7的值依次为－0.442 6、0.245 1、0.675 2、0.535 6、0.061 5、－0.138 4、0.001 4、0.065 0；Q/DG 1－S012—2011《超大型冷却塔设计导则》在加肋情况下，a0～a7的值依次为－0.392 3、0.260 2、0.602 4、0.504 6、0.106 4、－0.094 8、－0.018 6、0.046 8。

温度载荷：塔内空气温度为35 ℃。

内吸力载荷：局部稳定性计算时，内压分布系数为0.5，沿着塔高H均匀分布，塔顶设计风压为（H/10）0.32。

局部封闭平台载荷：X支柱的局部封闭平台载荷，平台水平支撑传给X柱顶部的水平载荷为FX＝－130kN（水平向右为正），竖向载荷为FZ＝－70 kN（竖向上为正）。平台斜支撑传给X柱中部的水平载荷为：FX＝130kN，竖向载荷FZ＝－460kN。地震分析：地震基本烈度为Ⅷ，谱分析特征周期为0.65s，最大响应系数0.288，竖向与水平向比例为0.65，阻尼比0.05，所考虑的模态数量为500。

2.3.2 计算结果及分析

主要计算结果见表1。

由表1看出，从下环梁向上塔筒大约10m 范围内，所配的环向钢筋都由地震荷载组合工况控制，10 m 以上位置环向钢筋主要由温度应力大的荷载组合工况控制。从下环梁向上塔筒大约5m 范围内，所配的纵向钢筋都由地震荷载组合工况控制，5 m以上到大约喉部位置纵向钢筋主要由风荷载的荷载组合工况控制，喉部到上环梁位置主要由温度应力大的荷载组合工况控制。

考虑徐变后，对于风荷载占主要的组合工况和温度应力占主要的组合工况相比，配筋量相差不大，风荷载对塔筒的下部影响大些，而塔筒上部配筋受温度应力影响大些。

地震荷载对下环梁的配筋影响非常大，环向钢筋配筋量约为非地震区的2倍，纵向钢筋配筋量约为其3倍。不考虑徐变时各工况下塔筒主要位置的配筋结果见表2。

由表2看出，从下环梁向上塔筒大约15m 范围内，所配的环向钢筋都由地震荷载组合工况控制，距离下环梁15m 至140m 位置环向钢筋主要由温度应力大的荷载组合工况控制。距离下环梁140 m以上位置环向钢筋主要由地震荷载组合工况控制。

从下环梁向上塔筒大约4m 范围内，所配的纵向钢筋都由地震荷载组合工况控制，距离下环梁4 m 至14m 位置纵向钢筋主要由温度应力大的荷载组合工况控制，距离下环梁14m 至50m 位置纵向钢筋主要由风荷载的荷载组合工况控制，距离下环梁50m 到上环梁位置主要由温度应力大的荷载组合工况控制。

不考虑徐变时，对于风荷载占主要的组合工况和温度应力占主要的组合工况相比，配筋量相差很多，对于环向钢筋，温度应力占主要的组合工况要比风荷载占主要的组合工况增加50%，对于纵向钢筋，温度应力占主要的组合工况要比风荷载占主要的组合工况有所增加。整个塔筒配筋受温度应力影响大些。

地震荷载对下环梁的配筋影响非常大，环向钢筋配筋量约为非地震区为1倍，纵向钢筋配筋量约为3倍。

表1 考虑徐变时各工况下塔筒主要位置的配筋量 mm2

表2 不考虑徐变时各工况下塔筒主要位置的配筋量 mm2

3 结论

a.当温度应力考虑徐变时，对于风荷载占主要的工况和温度应力占主要的组合工况相比，配筋量相差不大，风荷载对塔筒的下部影响大些，而塔筒上部配筋受温度应力影响大些。对于8.75度的高烈度地震区域，地震荷载对塔筒下环梁的配筋影响非常大，钢筋配筋量约为非地震区2倍，纵向钢筋配筋量约为非震区的3倍，当温度应力不考虑徐变时，对于风荷载占主要的组合工况和温度应力占主要的组合工况相比，配筋量相差很多，对于环向钢筋，温度应力占主要的组合工况要比风荷载占主要的组合工况增加50%，对于纵向钢筋，温度应力占主要的组合工况要比风荷载占主要的组合工况有所增加。整个塔筒配筋受温度应力影响大些。对于8.75度的高烈度地震区域，地震荷载对下环梁的配筋影响非常大，和非地震区相比环向钢筋配筋量约为1倍，纵向钢筋配筋量约为其3倍。

b.对于承载能力极限状态工况1风荷载占主要的组合情况，当不考虑徐变时，加肋塔比不加肋的塔节省钢筋量9%左右。

c.对于承载能力极限状态工况2温度应力占主要地位，当不考虑徐变时，加肋塔比不加肋的塔节省钢筋量3%～5%。当不考虑徐变时，与考虑徐变相比钢筋量增加80%左右。

d.对于8.75 度的高烈度地震区域，地震对X柱的截面选择及配筋影响非常大，由于轴压比的控制，柱子的截面面积比非地震区增加约30%～50%，由地震力引起的柱子轴力增加约50%左右。对于环基的影响不大，地震荷载工况和其他的最不利工况相比较，地震工况的配筋稍大一点。

［1］ 郭维胜.超大型冷却塔结构设计中值得关注的问题［J］.电力建设，2009，（3）：45－50.

［2］ 薛文.火力发电厂超大型双曲冷却塔抗震性能分析［D］.西安：西安建筑科技大学，2010.

［3］ 石俊彪.自然通风冷却塔非线性有限元分析［D］.杭州：浙江大学，2008.