冷却塔底部倾角对塔体结构的影响

李勤明

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001)

冷却塔底部倾角对塔体结构的影响

李勤明

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001)

由于工艺的要求间接空冷塔通常体型较“胖”这就造成塔筒底部的倾角通常较小有时小于了规范要求的最小角度。较小的塔筒底部倾角对塔体的结构影响有多大？为此结合某工程2×600MW机组两机一塔方案的塔型，对冷却塔筒底部子午线的倾角在14°～18°之间的5种塔型进行分析比较。分析结果表明，对以风荷载为主要荷载的冷却塔而言，塔筒底部倾角的减小无论从塔体的结构变形还是结构的内力来说都是不利的。因此从结构选型上来说“小倾角”冷却塔是一种不好的塔型，在满足工艺条件下应尽量采用较大的塔筒底部倾角方案。

间接空冷塔；“小倾角”冷却塔；塔型选择。

1　问题的提出

自然通风双曲线冷却塔是一个典型的钢筋混凝土空间旋转薄壳结构，为满足底部进风的要求塔筒壳体支撑在人字柱或X柱上。按目前有关的设计规程规范的要求其塔筒底部子午线的倾角在16°～20°之间。由于间接空冷塔与自然通风的湿式冷却塔相比在相同高度的条件下无论零米、喉部和出口直径均大于湿冷塔，塔的体型较胖。这使得有时塔筒底部子午线的倾角不能满足上述要求，其倾角往往要小于16°也就是所谓的“小倾角”冷却塔。当采用“小倾角”冷却塔方案时结构是否合理？需要进一步研究。为此需对塔筒底部不同子午线的倾角对塔体的结构影响进行研究分析，以便合理的确定间冷塔的塔型。

2　研究分析对象

针对某工程2×600MW机组采用两机一塔方案确定的塔型，分别对塔筒底部子午线的倾角(以下简称倾角)为18°、16.8°、16°、15.2°和14°5种塔型进行了分析计算。这5种塔型的主要参数见表1。

表1　分析研究间冷塔的结构主要参数

在这5种塔型中对于18°倾角调整了塔体的喉部高度，对14°倾角不仅调整了喉部高度也调整了喉部直径以适应双曲线的要求。设计100年一遇风压为：0.51 kPa。设计地震烈度为7度,50年超越概率10%动峰值加速度为0.12 g，特征周期0.45 s。

3　分析计算

计算分析采用SAP2000软件，分析模型采用线弹性有限元模型，塔筒和环板采用中厚壳四边形单元，X柱和柱墩采用梁单元，桩基采用集中弹簧按《建筑桩基技术规范》附录C计算弹簧的刚度系数，总的计算自由度数为457500个。

由于冷却塔的外荷载主要为风、自重、温度和地震。对五种塔型分别计算了风、自重、特征值屈曲和地震作用下的内力变化情况。特征值屈曲分析时对结构自重不放大而只加大风荷载的外压和内压。

通过计算分析可知不同倾角的变化由结构自重和地震引起的位移和内力变化不大，但由风荷载引起的位移和内力变化是十分可观的。以下就只对风荷载和特征值屈曲及结构的动力特性分析结果进行论述。

3.1风荷载计算结果分析

在风荷载外压作用下塔体的位移幅值分布云图见图1。从图中可看出塔体的最大位移不在塔顶而是在喉部附近。不同塔型零度子午线沿高程X向水平位移曲线比较见图2。从图中的曲线可看出随着倾角减小，X柱顶和塔体的最大位移在加大。这说明了塔体的刚度是随着倾角的减小在下降。为进一步说明塔筒零度X向水平最大位移加大引起的原因，将X柱顶位移、塔筒位移和两者位移的差值随倾角变化时的关系绘制成曲线见图3。从图3中可看出X柱顶X向的水平位移与倾角基本成线性关系也就是倾角越小位移越大。

图1　位移幅值分布云图

图2　零度沿高程水平位移曲线

图3　不同倾角X柱顶、塔筒最大位移和两者位移差曲线

塔筒零度X向最大位移与倾角也接近为线性关系，都为随着倾角的减小位移加大。但从图中右侧的塔体最大位移减去柱顶位移即塔筒自身的位移变化曲线来看，塔筒的位移随倾角的减小位移变化不大。

这就说明了图2中的塔筒最大位移随倾角减小位移加大，主要是由X柱顶位移增大引起的。这是由于倾角减小后，X柱就更加直立从而降低了X柱抵抗水平变形的能力，也就是降低了X柱的水平刚度从而加大了柱顶的位移。

相对倾角18°时各方案X柱顶和塔筒最大位移增量百分比见表2。从该表可知，X支柱顶位移14°时最大增加了210.094%，塔筒最大位移增加了56.774%，倾角的变化对位移的影响是比较大的。

表2　相对塔筒底部子午线倾角18°时的位移百分比

对以风荷载为主要荷载的冷却塔，X柱下柱由风引起的轴力和弯矩随倾角变化曲线见图4。从图4中可知随着倾角的减小无论轴力和弯矩均在加大。倾角从18°减小到14°时，相对18°倾角时在风荷载作用下X下柱的内力增加的百分比见表3。

图4　风载作用下不同倾角X下柱轴力和弯矩变化曲线

表3　X下柱内力增加百分比(%)

从表3中可知，当倾角的由18°减小到14°时X柱的最大拉力增加了53.189%，而负弯矩值增加了351.614%。由此可见该倾角变化时风载荷对X柱的内力影响是十分显著的。

倾角不同风荷载引起的塔筒在零度时的子午向内力沿高程的变化曲线见图5。从图中可知子午向轴力的影响范围要大一些，但影响的幅度不大。而子午向弯矩的影响范围不大但影响的幅度较大。同时也看到子午向弯矩在塔筒底部，随着倾角减小在逐步的增大从18°的负值变换到了14°时的正值的最大。

倾角不同风荷载引起的塔筒在零度时的环向内力沿高程的变化曲线见图6。从该曲线可知环轴力的影响范围也比较大，并且环轴力在约40 m标高处从18°的正值最大逐渐减小到14°时的负值。环向弯矩的变化影响范围不大，但影响的幅度值较环轴力要大很多。塔筒内力在零度由倾角变化引起的内力变化倍数见表4。

图5　塔筒子午向轴力和弯矩变化曲线

图6　塔筒环向轴力和弯矩变化曲线

表4　风载作用下塔筒轴力和弯矩增加倍数

从表5中可知除子午向轴力变化较小外，引起变化最大的环向轴力达到了34.69766倍。可见该倾角的变化对塔筒局部的内力影响是巨大的。因而从结构内力大小的角度来看“小倾角”塔是不利的。

3.2特征值屈曲分析

对塔体的整体稳定按线性弹性屈曲稳定计算得到的第一阶屈曲因子见表5。从表中可知特征值屈曲因子相差不大，但也表现出随着倾角的减小屈曲因子有降低的趋势。

表5　塔筒底部子午线的倾角和第一阶屈曲因子数据

图7为不同倾角的第一阶屈曲模态图(从左至右分别为18°～14°倾角)，也可看出随着倾角的减小屈曲范围和程度都在加大。这也说明了“小倾角”塔对结构的稳定性也是不利的。

图7　第一阶屈曲模态图

3.3结构的动力特性分析

对塔体的动力特性做了塔体的振动模态计算。考虑到冷却塔结构的特殊性，即结构存在大量的重频和高阶振型对质量参与系数有较大贡献的特点。为取得质量参与系数大于90%的要求，共计算了200阶的模态。模态分析采用标准特征向量法，各方案的平动和扭转质量参与系数均做到了大于97%。各方案的动力特性计算主要结果数据见表6。

表6　各方案塔体动力特性主要数据

从表5中可看出，无论是塔体的第一阶模态还是第一个平动和扭转模态的周期都随着倾角的减小而有加大的趋势。这也进一步说明了结构的刚度是随着倾角的减小而降低的。

4　结论

通过对5种不同塔筒底部倾角方案的计算分析比较可得出如下结论：

(1) 风荷载在零度的位移计算结果数据显示，当倾角从18°减小到14°时X柱顶和塔筒最大位移均在增大。X柱顶位移增大了210.094%，塔筒位移增大了56.774%。表明了塔体抗水平荷载的变形能力大幅度的下降，对结构的刚度影响十分显著。

(2)风荷载作用下内力计算结果的数据表明，当倾角从18°减小到14°时内力的增加幅度十分显著，X柱轴拉力增加了53.189%，负弯矩值增加了351.614%。

(3)线弹性屈曲分析结果表明随着倾角的减小屈曲范围和程度都在加大。这说明了“小倾角”塔对结构的稳定性是不利的。

(4) 结构的动力特性计算结果表明；结构的自振周期是随着倾角减小而加大的，这也进一步表明了结构的刚度是随着倾角减小在下降。

对以风荷载为主要荷载的冷却塔而言，塔筒底部倾角的减小无论从塔体的结构变形还是结构的内力来说都是不利的。因此从结构选型上来说“小倾角”冷却塔是一种不好的塔型，在满足工艺条件下应尽量采用较大的塔筒底部倾角方案。

[1] GB/T 5012－2003工业循环水冷却设计规范[S]．

[2] GB 50191－2012 构筑物抗震设计规范[S]．

[3] JGJ94－2008建筑桩基技术规范 [S]．

[4] [美]爱德华．L．威尔逊，结构静力与动力分析[M]．中国建筑工业出版社，2006．

[5] 沈蔚莲，孙小兵．大型双曲冷却塔风荷载作用效应有限元计算[J]．山西建筑，2007，(4)．

[6] 北京金土木软件技术有限公司，SAP2000中文版使用指南(第二版)[Z]．北京：人民交通出版社，2012．

Effect of Impact of Bottom Angle of Cooling Tower on Tower Structure

LI Qin-ming
(Shanxi Electric Power Exploration & Design Institute of China Energy Engineering Group, Taiyuan 030001, China)

To meet the technical requirements, indirect dry cooling tower generally has relatively large tower body. This causes a relatively small angle at the bottom of cooling tower, which is occasionally smaller than the required minimum angle. How are the impacts of a small angle at the bottom of cooling tower on the structure of tower body? With a case study on the structure of indirect dry cooling tower with two 2×600MW units in a project, this article makes comparative analysis on 5 different tower models with a respective angle ranging from 14°～18° at the bottom of tower body. The analysis results show that, for the cooling tower with wind load as the main load, the decrease in angle at the bottom of tower body will pose negative impacts on structural distortion of tower body as well as the internal force of the tower structure. Thus, it is not a good choice to choose a cooling tower with a small angle. The size of tower model should be adjusted to make it in coordination with the technical requirements, and the angle at the bottom of tower body should be within stipulated scopes.

indirect dry cooling tower; small angle cooling tower; selection of tower model

TM621

B

1671-9913(2016)05-0047-05

2016-10-08

李勤明(1956- )，男，河南新郑人，教授级高级工程师，主要从事火力发电厂水工结构设计。