基于结构总体造价的大型冷却塔最不利荷载加载角度

邱旭 等

摘要：以某150m大型双曲自然通风冷却塔为研究对象，以结构总体造价为指标，研究风荷载、夏温荷载、地震荷载组合下的最不利加载角度， 结果表明，最不利荷载组合角度为来流风向角度为90°，阳光入射角度为135°、地震波的入射角度为22.5°，同时结构总造价与最小稳定系数并无直接联系，不能以局部稳定最小值作为优化指标，同时考虑到加载角度组合工况数量的巨大，建议引入优化算法来降低计算效率。

关键词：双曲冷却塔 结构总体造价 荷载加载角度

0 引言

冷却塔作为一种工业设施在石油、化工、電力等领域得到广泛应用，其作用是将携带工业废热的冷却水在冷却塔内与外界空气进行热交换，从而将废热传递给空气，冷却水循环使用，达到节约用水，保护环境的目的，图1给出了电厂冷却塔工作原理示意图。近年来随着电力工业的迅速发展，火力发电厂装机容量不断增大，用于冷却水的大型自然通风冷却塔的淋水面积愈来愈大，塔体高度也随之愈来愈高，目前全世界最大的冷却塔是德国Niederaussem电厂的200m双曲自然通风冷却塔，其塔筒底部直径为143.5m，流水量为91000m3/h。在我国，随着国家能源产业的调整，火力发电厂“上大压小”政策的出台，沿海、内陆核电的规划建设，超大型冷却塔不断兴建，随之而来的结构安全性受到越来越多的重视，包括冷却塔抗风性能、抗震性能、抵抗地基不均匀沉降的能力、结构稳定性等。

冷却塔在运营期间主要承受结构自重、风荷载、温度荷载（包括冬温荷载、夏温荷载）、地震荷载及地基不均匀沉降等；其中风荷载、夏温荷载、地震荷载存在加载角度，当前《火力发电厂水工设计规范》（DL/T 5339-2006）并没有给出最不利加载角度，因此本文以某150m大型冷却塔为例，以冷却塔结构总造价为指标，研究荷载组合模式下的最不利加载角度。

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图1 电厂冷却塔工作原理示意图

1 冷却塔结构尺寸及荷载取值

1.1 结构尺寸

本文中某大型冷却塔高150m，喉部高度112.5 m，下环梁高度10.3 m，塔筒顶部直径72.1 m，喉部直径67.2 m，下环梁直径111.2 m，塔筒采用44对直径1.0 m的人字柱支撑，环基宽7.0 m，高1.8 m，环基中心直径为120.2m，塔筒壳体采用分段等厚，喉部区域最小厚度0.200m，最大厚度1.000m，塔顶刚性环竖板厚度为0.200m，平台板厚度为0.300m，塔筒与人字柱的混凝土强度等级为C40，环基的混凝土强度等级为C35。

1.2 荷载取值

本文主要考虑冷却塔运营期间的五种荷载，即结构自重、风荷载、夏温荷载、冬温荷载、地震荷载；其中计算自重荷载时，重力加速度取9.81m/s2；计算风荷载时基本风压为0.5kPa，风剖面幂指数为0.15（即地表粗糙度为B类），风振系数1.9（参照我国水工设计规范（DL/T 5339-2006），多塔干扰效应1.0（即仅考虑单塔），塔筒内表面风压系数沿环向和高度方向均匀分布，取塔顶设计风压的-0.5倍（德国冷却塔设计规范（VGB-R 610U），塔筒外表面风压取DL/T 5339-2006规定的无肋双曲冷却塔平均风压分布，计算夏温荷载时，最大筒壁温差取15℃；计算冬温荷载时，塔外温度取-5℃，塔内温差按DL/T 5339-2006中环梁无档水设施单元系统确定，其中进风口上缘至淋水填料底为0～15℃、淋水填料底至淋水装置顶为15℃、淋水装置顶以上取10℃；地震荷载采用反应谱进行计算，反应谱计算模态阶数为1000阶（保证了水平地震和竖向地震的模态质量参与系数达到了95%以上）、地震烈度为7度、特征周期为0.45s、水平地震影响系数为0.25、竖向地震与水平地震的比值为0.65、模态的阻尼比为0.05。

2 最不利荷载加载角度

2.1 荷载加载角度

在冷却塔所承受的上述五种荷载中，风荷载、夏温荷载、地震荷载均存在荷载方向问题，即对应于来流风向、阳光入射角度及地震波方向，本文将0°～ 360°每隔22.5°进行划分，即风向角、阳光入射角、地震波方向均存在16个不同方向，组合后共4096个加载工况逐一计算，累计计算时间超过1200小时。

2.2 基于结构总体造价的最不利加载角度

在进行冷却塔结构设计时，设计人员往往关注两类指标，即冷却塔局部稳定系数及冷却塔荷载效应极值；首先塔筒必须满足局部稳定性系数大于5的规范要求，其次结构荷载效应极值满足材料强度要求。由于结构内力最终决定结构配筋，对于冷却塔结构而言，当塔筒线型、人字柱尺寸和环基尺寸确定后，混凝土用量就已确定，只是不同荷载组合下结构的钢筋用量不同，因此本文选取单一指标结构的总体造价来选取最不利加载角度，一方面与结构内力息息相关，另一方面投资造价也是业主所关注的热点。

3 结论

本文对某150m大型冷却塔以结构总体造价为指标，探索荷载组合模式下的最不利加载角度，所得结论如下：

①在冷却塔结构设计时需考虑风荷载、夏温荷载、地震荷载组合下不同加载角度的问题。

②最不利荷载组合角度为来流风向角度为90°，阳光入射角度为135°、地震波的入射角度为22.5°。

③由于结构总造价与最小稳定系数并无直接联系，因此在冷却塔方案初步设计时应该以结构经济指标而非最小稳定系数作为优化的指标。

④考虑到不同加载角度组合工况数量的巨大，本文建议后续可以利用优化算法以较小的计算代价找出最不利加载角度。

参考文献：

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