有肋间冷却塔风振系数研究

孙晓勇，袁子厚，胡新荣

(1.中南电力设计院，湖北 武汉 430071；2.湖北省服装信息化工程技术研究中心，湖北 武汉 430073；3.山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心(重庆交通大学)，重庆 400074；4.湖北省数字化纺织装备重点实验室，湖北 武汉 430073)

0 前 言

风荷载是双曲线型冷却塔的主要荷载之一,1965 年英国渡桥电站冷却塔群的倒塌事故, 引起了国内外有关专家的普遍重视，确切地给出风荷载对确保冷却塔的安全性有着重大的意义。风振系数在结构风振分析中有着非常重要的作用，反映了随机风荷载作用下结构的响应、振动幅度及分布规律等，也是将抗风分析与抗风设计联系起来的直接元素。因此，确定结构风振系数对抗风设计有很大的意义。[1]本文针对一具体冷却塔研究其风振系数。中泰化学托克逊100万t电石新建工程冷却塔塔高155 m，该塔为现浇钢筋混凝土双曲线型薄壳结构(如图1)。

图1 冷却塔示意图(单位：m)

由于任一高度Z处的总风荷载为平均风荷载和等效脉动风荷载的叠加，故风荷载公式可以改写成：

ωz=ωzs+ωzd=(1+ηz)μsμzω0=βzμsμzω

式中，βz称为风振系数，风振系数综合考虑在风荷载作用下结构的静力和动力效应。它是考虑脉动风作用下风致振动(风振)的风荷载对于结构时均荷载(或称为风的静荷载)的放大系数。具体结构的风振系数由结构本身的特性决定，确定风振系数需要通过实验、实测或计算。

1 冷却塔自振频率计算

针对这个具体的冷却塔，采用有限元软件Abaqus计算其自振频率、振型系数。

根据设计输入条件，计算中的钢筋混凝土双曲线型薄壳结构、肋采用实体单元、柱子采用梁单元模拟。钢筋混凝土双曲线型薄壳结构与肋采用tie束缚约束，即钢筋混凝土双曲线型薄壳结构所有节点的运动与一定距离内的肋节点的运动一致。钢筋混凝土双曲线型薄壳结构与柱子采用tie束缚约束，冷却塔的整体有限元模型见图2。

图2 冷却塔有限元模型

材料参数：钢筋混凝土双曲线型薄壳结构、肋及柱子均按线弹性材料考虑，弹性模量取32.5 GPa，泊松比取0.17，密度为2 500 kg/m3，剪切模量取11.2 GPa。

边界条件：本次计算分析直接对柱子底部施加固端约束，即约束柱子底面节点的所有自由度。

计算得冷却塔的第一阶主振型的自振频率(Hz)为1.6Hz，冷却塔的第一阶主振型见表1。

表1 冷却塔的第一阶主振型

2 风振系数的确定

《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)[2]中规定当计算主要承重结构时，风荷载标准值应按下式计算：

wk=βzμsμzw0

式中，wk为风荷载标准值，kN/m2；βz指高度z 处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；w0为基本风压，kN/m2。

鉴于ω0是一定地区的基本风压，为该地区B类地貌10m高度上风的动压的统计平均值。

由《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)中第8.4.3条有：

式中，g为峰值因子，可取2.5；I10为10 m高度名义湍流强度，对应B类地面粗糙度可取0.14；R为脉动风荷载的共振分量因子；Bz为脉动风荷载的背景分量因子。

而脉动风荷载的共振分量因子R：

式中，f1为结构第一阶主振型自振频率，Hz，用abaqus计算得出f1=1.6；kw为地面粗糙度修正系数，对B类地面粗糙度取1.0；ζ1为结构阻尼比，对钢筋混凝土结构可取0.05；ω0为基本风压，kN/m2，50年一遇基本风压为0.85 kN/m2。

脉动风荷载的背景分量因子：

式中，φ1(z)为结构第一阶主振型振型系数；H为结构总高度；ρx为脉动风荷载水平方向相关系数；

k=0.910，a1=0.218(B类粗糙度)。

表2 冷却塔风振系数

本文与我国近年来针对冷却塔结构风振系数所取得的研究成果规律性(风振系数值随高度的增加而减小)一致[3-4]。

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