钢结构双曲线双层网壳冷却塔网壳型式研究

袁文俊 苏 钊 房彦山

中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司

钢结构双曲线双层网壳冷却塔网壳型式研究

袁文俊 苏 钊 房彦山

中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司

本文按照某项目的冷却塔工艺尺寸，在通用有限元软件SAP2000中建立了钢结构双曲线冷却塔的有限元模型，并参照火力发电厂水工设计规范施加了风荷载及温度荷载，模型采用了不同的网壳结构形式进行了分析计算和杆件截面设计，通过对不同方案下的冷却塔的内力分布及杆件截面大小分布的对比，提出较为科学合理的钢结构冷却塔网壳结构形式。

钢结构冷却塔；网壳形式

1 前言

本文按照某项目的冷却塔工艺尺寸，在SAP2000中建立了钢结构双曲线冷却塔的有限元模型，并参照火力发电厂水工设计规范施加了风荷载及温度荷载，模型采用了不同的网壳结构形式进行了分析计算和杆件截面设计，通过对不同方案下的冷却塔的内力分布及杆件截面大小分布的对比，提出较为科学合理的钢结构冷却塔结构型式。

2 有限元建模

2.1 冷却塔基本工艺参数

塔高：134m

出口半径：32m

0m半径：52m

喉部高：97m

2.2 荷载参数

自重：只考虑杆件，未考虑球节点

基本风压：0.4kPa

日照阴阳面温度差：15℃

地震作用：未考虑地震作用；

2.3 杆件截面及网格尺寸

杆件设计采用sap2000自带的杆件设计功能，按中国规范标准设计，杆件自动选择型钢库按国标环形截面选用。

2.4 特别说明

由于研究目的只为对比不同网壳结构形式冷却塔之间的差异，并不用于实际工程，因此，杆件设计时并没有按实际规范要求限制杆件的最大长细比，同时，为了增加计算分析速度，将网架杆件的长度取得较长(按7m左右设置)，以减小杆件数量，因此本计算结果与实际工程有差异，不适用于具体项目参考；

3 网架网格形式对比

3.1 常用的网架体系

网壳结构的网格形式主要可分为交叉桁架体系，四角锥体系和三角锥体系三类。

3.2 冷却塔网壳体系选择

一般平面网壳可采用周边支承、三边支承或两边支承等形式，受力主要来自平面外；与之不同，冷却塔只有竖向底侧一边有支座，水平向形成封闭环形，受力除了风荷载造成的面外弯矩外，主要为自重荷载及风荷载造成的面内力。鉴于冷却塔网壳的特殊性，分别按三种基本网壳体系分析如下：

a.交叉桁架体系：其中的两向网壳，在平面内无斜杆的情况下需要四边或三边支承，否则为平面内机动或半机动的体系，不适合以平面内受力为主的冷却塔，单个节点对应的杆件偏多，也不是较好的选择。

b. 四角锥体系：正放四角锥网壳最为简单，且杆件分布最为均匀，若采用该形式建立冷却塔模型，可作为冷却塔的良好网格形式。

c.三角锥体系：本体系网壳属于三向网格，同一节点的相交杆件较多，一般用于圆形和六边形平面网壳或球面网壳，冷却塔展开后接近矩形，没必要采用该种形式；

3.3 正放四角锥网壳形式对比

1)对比方案。通过以上分析比较，从受力和构件加工的方便性等方面考虑，我们选择正放四角锥的形式作为冷却塔的网壳网格形式，在建模中我们将正放四角锥的形式又分为两种方案：

方案一：正放四角锥正置(即弦杆与地面水平线或垂直线平行)；方案二：正放四角锥斜置(即弦杆与地面水平线接近45度角)；2)支座附近杆件轴力及杆件设计截面对比。两种形式冷却塔的支座附近杆件轴力及截面设计结果简单对比如下：(见表1)

4 网格形式对比结论

a.两种网壳形式杆件总数量和总重量差别不大。

b.正放四角锥正置的方案中，横向弦杆的轴力及截面很小，与其它竖向和斜向杆件的轴力及截面差别很大，说明这种方案使得网壳内力集中于竖向杆件；正放四角锥斜置的方案中，横向杆件为腹杆，截面与其它竖向和斜向杆件的差别较小，说明这种方案使得网壳内各个杆件之间的内力分布比较均匀。

c.正放四角锥正置的方案中，当节点与支座比例大于1时，与每个支座相连的杆件数量较多，且斜向弦杆和斜向腹杆之间的角度差太小，无法采用螺栓球节点连接；正放四角锥斜置的方案中，与每个支座相连的杆件较少，且相互之间的角度较大，方便采用螺栓球节点连接。

d.通过上述比较可见，钢结构冷却塔采用正放四角锥斜置的网格形式更加合理。

[1] GB 50017-2003.钢结构设计规范.北京：中国计划出版社，2003.

[2] DL/T5339-2006. 火力发电厂水工设计规范.北京：中国电力出版社，2006.

[3] JGJ7-2010. 空间网格结构技术规程.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4] JGJ7-91. 网架结构设计与施工规程.主编单位：中国建筑科学研究院、浙江大学，1992.

表1