基于风洞试验的四塔布置超大型冷却塔 风致综合受力与稳定性能

王　浩　　柯世堂

(南京航空航天大学土木工程系, 南京 210016)(南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室, 南京 210016)

塔群干扰是影响冷却塔抗风安全性能的主要因素之一.近年来,冷却塔日益朝着复杂组合布置趋势发展,其中尤以四塔组合冷却塔群最为常见.1965年英国渡桥电厂双排串列四塔冷却塔群风毁事故调查结果表明,事故的主要诱因有：① 设计时未考虑塔群干扰效应对倒塌冷却塔表面风荷载产生的放大作用；② 塔筒只布置了1层中央钢筋网,未考虑筒体弯矩作用的影响[1].由群塔干扰效应引起的冷却塔受力问题是困扰大型冷却塔抗风设计的主要问题之一,现有冷却塔设计规范[2]尚未给出这方面的参考建议.

关于冷却塔群抗风安全性方面的研究大多为关于干扰因子的研究[3-4].然而,大型冷却塔作为兼具大跨和高耸特性的对称混凝土薄壳结构,抗风安全性验算中的相关评价方法和评价指标并不明确.已有研究中基于不同结构响应指标得到的干扰效应并不一致,甚至出现冲突和矛盾.文献[5]通过列举少数几类响应指标尝试性地探讨了基于风致响应得到的干扰效应结果,但某一特定响应指标能否准确代替塔群干扰效应仍值得研究.风工程界的科研人员针对冷却塔群局部和整体屈曲稳定性能[6-7]进行了较为系统的研究,并在考虑非线性效应的基础上探讨了冷却塔强度破坏极限[8].然而,研究者们大多基于单一塔群组合进行,并未得出可直接用于指导四塔布置形式选择和工程设计的规律性成果.

鉴于此,本文以在建世界最高220 m的冷却塔为对象,分别对5种(串列、矩形、菱形、L形和斜L形)典型四塔组合方案共320个工况进行了同步测压风洞试验.基于有限元方法对相应工况进行风致响应计算,对比分析了布置形式、风向角和相对位置对冷却塔位移响应、受力性能、局部稳定和屈曲稳定的影响规律.并在考虑大变形几何非线性的基础上,探讨了冷却塔在非对称风荷载作用下的强度破坏极限.最终归纳出可为冷却塔四塔组合方案选取和抗风安全性评估提供参考的研究结论.

1　风洞试验

1.1　工程背景

所选在建冷却塔高度为220 m,喉部高度为165 m,进风口高度为31 m,塔顶中面直径为128 m,喉部中面直径为123 m,冷却塔底部直径为185 m.塔筒采用64对X形支柱支撑,支柱采用矩形截面,截面尺寸为1.7 m×1.0 m.该在建冷却塔位于B类地貌,基本风压为0.5 kPa.风洞试验模型缩尺比为1∶450,采用亚克力材料制作以保证足够的刚度和强度.沿塔筒外表面子午向均匀布置12层风压测点,每一测点层沿环向顺时针均匀布置36个测点,共计432个测点.采用DSM3000电子压力扫描计进行风洞模型表面风压测量,采样频率设置为312.5 Hz.

1.2　风场模拟与雷诺数效应模拟

试验用风洞是一座闭口回流式矩形截面风洞,主试验段宽5 m,高4.5 m,风速连续可调,最高稳定风速可达30 m/s.试验风场按中国《建筑结构荷载规范》[9]中的B类地貌模拟,风场模拟的主要指标为平均风速剖面、湍流度剖面和顺风向脉动风谱等,模拟效果见图1.图中,n为脉动风频率,Hz；Su(n)为脉动风速功率谱,m2/s；k为地面粗糙度系数；u*为10 m高度处的平均风速,m/s.由图可知,风场模拟效果较好,满足试验要求.

(a) 平均风速与湍流度

(b) 脉动风谱

为进行雷诺数效应修正,风洞试验中共测试了7种粗糙度工况：① 表面光滑；② 粘贴1层36条5 mm宽粗糙纸带；③ 粘贴2层36条5 mm宽粗糙纸带；④ 间隔粘贴2层或3层36条5 mm宽粗糙纸带；⑤ 粘贴3层36条5 mm宽粗糙纸带；⑥ 间隔粘贴3层或4层36条5 mm宽粗糙纸带；⑦ 粘贴4层36条5 mm宽粗糙纸带.图2给出了归一化处理后的冷却塔喉部高度体型系数分布曲线,并与规范[2]中的风压曲线进行对比.由图可见,粘贴4层粗糙纸带可以较好地实现冷却塔雷诺数效应模拟.最终模拟措施如图3所示.

图2　风洞试验体型系数与目标曲线对比图

图3　雷诺数效应措施图

1.3　典型四塔布置形式

四塔风洞试验中采用了串列、矩形、菱形、L形和斜L形5种布置形式,每种布置形式在360°风向角范围内以22.5°增量逐一测量,共320个试验工况.冷却塔塔间距均为2D,其中D为塔底直径.为真实反映冷却塔在电厂中受到的干扰效应,参考实际工程布置了多个周边干扰建筑,各工况平面布置及冷却塔位置信息见图4.群塔工况中最大阻塞率为3.22%,满足风洞试验标准[10]的要求.

2　风致响应

2.1　模型建立与模态分析

基于有限元软件ANSYS建立了塔筒-支柱-环基的一体化模型.塔筒采用Shell63单元,其中环向256个单元,子午向128个单元.环基及与环基连接的64对X形柱均采用Beam188单元模拟,支柱与塔筒通过多点约束耦合连接,与环基通过刚性域连接.环基划分为256个单元,环基下部采用采用Combin14单元模拟弹性地基,包括3个力弹簧单元和3个力矩弹簧单元,弹簧单元一端与环基刚性连接,另一端固结约束.该冷却塔自振频率较小,其基频仅为0.542 Hz,前10阶频率均在0.8 Hz以下,结构自振频率低且分布密集.

2.2　对比分析

表1给出了6种典型内力指标下四塔布置形式对冷却塔受力性能影响程度.由表可知,不同响应指标受塔群干扰效应的影响不完全一致,四塔布置形式对塔筒环向弯矩和支柱扭矩影响较大.以塔筒环向弯矩和支柱扭矩为评价指标,最优的布置形式均为串列布置形式,最不利的布置形式相对串列布置形式增大了50%以上.其余4种内力指标受四塔布置形式影响较弱,矩形和菱形布置形式有利于减少这4类内力指标.

(a) 串列布置

(b) 矩形布置

(c) 菱形布置

(d) L形布置

(e) 斜L形布置

图4四塔组合工况冷却塔布置示意图

表15种四塔布置形式对冷却塔典型内力指标影响程度

内力指标优先顺序相对最不利布置形式的内力增量幅度/%塔筒子午向轴力菱形、矩形、L形、斜L形、串列0，2．52，4．91，6．99，7．38塔筒环向弯矩串列、斜L形、菱形、L形、矩形0，25．74，25．99，46．15，64．85支柱轴力菱形、矩形、L形、斜L形、串列0，2．11，4．32，5．90，6．67支柱弯矩矩形、菱形、L形、串列、斜L形0，0．74，5．69，7．22，7．79支柱扭矩串列、菱形、矩形、斜L形、L形0，9．89，16．54，27．92，52．46环基弯矩菱形、矩形、串列、L形、斜L形0，0．04，1．79，2．61，3．01

统计5种四塔布置形式下冷却塔群在位移和6项受力指标下的响应增量,并求出增量总和,结果见图5.由图可知,四塔布置形式下冷却塔风致响应受塔群相对位置影响显著,以往工程设计中对同一冷却塔群采用统一结构设计标准不尽合理[11].为方便设计参考,表2给出5种典型四塔布置形式下冷却塔群风致响应安全性能的优劣关系.

(a) 串列布置形式

(b) 矩形布置形式

(c) 菱形布置形式

(d) L形布置形式

(e) 斜L形布置形式

图5不同响应指标下冷却塔风致响应增量图

3　稳定性能

3.1　局部稳定性

图6给出了5种四塔组合在不同风向角下冷却塔局部稳定因子(KB)最小值的分布图.图中,串列布置形式最小KB值以柱状图表示,矩形、菱形、L形和斜L形组合的最小KB值均以相对串列布置形式对应风向角工况的增/减量表示,其值分别为ΔK2,ΔK3,ΔK4和ΔK5.由图可知,四塔布置形式对1#塔的KB值影响较小,2#塔受布置形式影响较大.

表2　 冷却塔群风致响应安全性能优劣关系

值得注意的是,矩形、L形和斜L形布置形式均在2#塔存在KB<4.0的工况.矩形布置形式在3#塔的315°风向角处达到最小KB值3.24.而4#塔受布置形式影响最为明显,图中变化量的离散程度最大,串列和菱形布置形式的最小KB值工况均发生于4#塔.

综合可知,串列方案对于提高局部稳定性效果最为明显,斜L形次之,矩形、菱形和L形方案下冷却塔局部稳定性较串列方案明显不利.

(a) 1#塔

(b) 2#塔

(c) 3#塔

(d) 4#塔

图6最小KB值分布图

3.2　整体屈曲稳定性

图7给出了5种四塔布置形式屈曲稳定最不利工况对应的屈曲模态和最大位移.此外,单塔工况冷却塔第1阶屈曲系数为9.43.在5种四塔布置形式中,菱形和L形方案下冷却塔整体屈曲安全性较差,第1阶屈曲系数相对单塔工况降低了近10%；而串列、矩形和斜L形方案对冷却塔整体屈曲稳定性能较为有利.

3.3　强度破坏极限

进行强度破坏极限分析时考虑冷却塔的几何大变形效应,由最大位移随风速变化斜率和混凝土压缩极限状态确定临界失稳风速.以10 m高度处10 m/s的初始风速作为设计基本风速,逐级加载,加载步长为2.5～10.0 m/s.当风速增大至筒壁局部区域发生拉伸破坏时,冷却塔局部区域由钢筋承担受拉作用.随着风速进一步增大,当混凝土筒壁受压区接近压缩极限受力状态时,冷却塔静风变形迅速增大,达到冷却塔的极限承载状态.

图7　屈曲稳定最不利工况下的屈曲系数与最大位移

图8给出了5种四塔布置形式冷却塔临界风速分布和限承载力最不利工况下冷却塔位移及斜率随风速变化曲线.图中,串列布置形式临界风速W1以柱状图表现,矩形、菱形、L形和斜L形组合的临界风速均以相对串列布置形式对应风向角工况的变化量表示,其值分别为ΔW2,ΔW3,ΔW4和ΔW5.分析可知，串列布置形式时4座冷却塔均在90°和270°风向角时达到较大的临界风速,此时冷却塔主要受遮挡效应影响,串列布置形式临界风速最小值发生于4#塔0°风向角工况.矩形布置形式时2#塔在270°风向角达到最不利工况,菱形、L形和斜L形布置形式分别于247.5°,67.5°和292.5°达到极限承载力最小值,此时来流风向对受扰塔均产生明显的不对称峡谷效应.L形、菱形和矩形布置形式的临界失稳风速仅为串列布置形式临界失稳风速的65%,70%和60%.

综合风致响应和稳定性各项指标,得到5种典型四塔组合形式冷却塔群最不利工况示意图(见图9),此时冷却塔受不对称的峡谷效应影响.

(a) 1#塔

(b) 2#塔

(c) 3#塔

(d) 4#塔

图8临界风速分布图

图9　最不利工况示意图

4　结论

1) 四塔布置形式对塔筒位移响应、塔筒环向弯矩和支柱扭矩影响较大.从风致响应角度综合定性地给出了四塔布置形式优选顺序：串列、菱形、斜L形、矩形、L形.

2) 冷却塔风致响应受塔群相对位置关系影响显著,以往工程设计中对同一冷却塔群采用统一结构设计标准不尽合理,且不同指标下四座冷却塔响应极值变化趋势并不完全一致,表现出塔群效应及周边建筑物共同作用的复杂性.

3) 串列和斜L形布置形式在局部稳定、整体屈曲稳定和强度破坏极限等方面表现出明显的优势.L形、菱形和矩形布置形式的临界失稳风速仅为串列布置形式临界失稳风速的65%,70%和60%,这3种四塔布置形式在重现期基本风速较大的区域内应谨慎采用.

4) 综合风致响应和稳定性各项指标,确定了5种典型四塔布置形式冷却塔群最不利工况.当冷却塔处于不对称的峡谷效应影响时,其综合受力与稳定性能显著降低.

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