某电厂双曲线自然通风冷却塔壳体结构分析

张杰

中国轻工业长沙工程有限公司，中国·湖南 长沙 410001

双曲线冷却塔外壳；结构分析；三维模型

1 工程概况

中国天津某造纸基地自备电厂，中期规模300MW，配备两座淋水面积为4500m2的逆流式双曲线型自然通风冷却塔。

本冷却塔顶高106.6m，进风口标高6.700m。筒体采用基本等厚混凝土壳体，下部设置40 对圆截面人字柱支撑壳体。基础为预应力管桩基础，周圈为环基承台。人字柱下端通过截面刚度较大的支墩与环基承台连接。桩与环基承台连接按抗拔桩设计。冷却塔外壳整体外形如图1所示。

图1 双曲线自然通风冷却塔外壳立面图

工程抗震设防烈度为8 度，设计基本加速度峰值为0.2g，所属设计地震分组为第一组。50年一遇基本风压为0.55kPa，地面粗糙度为B 类。

本工程冷却塔外壳采用有限元软件MIDAS GEN 进行结构分析，选择合适的截面及配筋，使其满足承载能力极限状态及正常使用极限状态各项指标的要求[1]。

2 地基与基础设计

工程所在地地貌类型属冲积平原，地基土主要为粉质粘土，地基承载力偏低。考虑到高耸结构对地基变形要求高，且此构筑物对不均匀沉降较为敏感。结合当地施工及采购条件，本工程考虑采用预应力管桩基础。承台采用周圈整体环板承台。环板承台中面直径80.72m，截面4.4mx1.6m，midas模型中以板单元模拟环板承台。

以桩所在位置节点弹性支承模拟预应力管桩的作用。依据《动力机器基础设计规范》GB50040-96，第3.3 节，计算出桩的水平及竖向弹性支承刚度分别为：

单塔环基下设377 根φ400 预应力管桩，计算输出最不利工况下单桩所受最大竖向力标准值为2.9kN（拔力），639.6kN（压力），水平力标准值为69.4 kN。满足单桩竖向及水平承载力要求。由此可见，桩以水平承载力控制。

以节点弹性支承的边界条件模拟预应力管桩的作用，能较为真实反映桩对上部结构的作用[2]。

3 上部结构设计

3.1 支墩及人字柱

图2 人字柱、支墩与环基承台断面示意

图2为支墩及人字柱。支墩采用椭圆锥台，截面刚度较人字柱大很多。在midas 整体模型中，以刚性连接将人字柱的下端和环基承台相应节点连接，以此模拟支墩。对于支墩自身的计算：读出人字柱下端弯矩、剪力、轴力，再另行验算。本工程通过验算，支墩为构造配筋即可。

采用放大的单独柱墩，即两个人字柱底部相交处以柱墩连接环板基础，有以下两点优势。

（1）柱墩刚度较大，且从上往下呈扩散趋势，在与环板基础连接处截面积最大。这样能将上部壳体由人字柱传来的较大内力扩散至环板，避免了环板局部应力集中。

（2）单独柱墩，而不采用环形整体厚壁，避免了环形整体厚壁产生的较大的环向温度应力，使结构趋于经济合理。

人字柱采用φ550 圆柱截面，周圈共40 对，预制柱。

冷却塔人字柱通常有圆形截面和方形截面。通常认为人字柱的圆形截面，风阻系数较小，传力更为合理，但圆形柱定位对施工要求较高。本工程由专业的冷却塔施工队伍施工，施工器械及精度能达到设计要求，故优先选用圆柱截面。

在midas 模型中，定义人字柱为梁单元。通过计算分析可知，人字柱受力为轴向拉力控制。最大的轴向压力及弯矩、剪力都不起控制作用[3]。

3.2 双曲线旋转面壳体

通风筒采用基本等厚混凝土壳体，最小厚度0.17m，最大厚度0.60m。塔顶壳体中面半径23.975m；喉部标高81.805m，喉部壳体中面半径22.680m；进风口标高6.700m，进风口壳体中面半径37.240m。

冷却塔外壳是很薄的壳体结构，其稳定性是冷却塔设计时必须关注的重点。依据《工业循环水冷却设计规范》（GB/T50102-2003），2.6.14 条，双曲线冷却塔塔筒的弹性稳定验算按以下要求进行。

（1）整体弹性稳定验算

式中 KB——弹性稳定安全系数；

qcr——塔筒屈曲临界压力值，kPa；

q——塔顶设计风压值，kPa；

C——经验系数。其值为0.052；

E——混凝土弹性模量，kPa；

r0——塔筒喉部半径，m；

h——塔筒喉部处壁厚，m。

将此塔各项参数代入上式，KB值为18.1，大于5，符合整体稳定要求。

（2）局部弹性稳定验算：

0.8 KB(σ1 / σcr1 +σ2 / σcr2) + 0.2（KB）2[(σ1 / σcr1)2+(σ2 / σcr2)2] =1

应满足KB≥5。

式中 KB——弹性稳定安全系数；

σ1，σ2——由P+W+Wsog组合产生的环向、子午向压力，其中Wsog 为内吸力引起的压力，kPa；

σcr1，σcr2——环向，子午向的临界压力，kPa；

由midas 程序计算壳体各点子午向及环向压应力，代入上式，可得到任一点的弹性安全系数KB。规范要求各点的KB不小于5，本工程经计算知最小值为7.186。

由此可知，以上筒壁的外形及壁厚是安全可行的。同时，局部安全系数最

小值出现在最小壁厚0.170m 的最下面一节，设计时考虑适当加强。并且保证开洞避开此节。

由于本工程地处抗震设防烈度为8 度区，冷却塔壳体设计时考虑不与淋水构架发生搭接关系。避免地震作用下淋水构架对壳体的撞击破坏作用。同时也使得外壳受力更简单直接，避免复杂应力的出现。

3.3 风荷载和地震荷载对冷却塔结构作用比较

本工程所在地，基本风压0.55kPa，抗震设防烈度为8 度。冷却塔结构对风荷载敏感，而地震烈度8 度也不可小觑。通过对midas 模型输入两种荷载，比较两种荷载对结构的作用[4]。

本工程模型中风荷载输入按《工业循环水冷却设计规范》 （GB/T50102-2003）之2.6.3 条：

式中ω (Z，θ)——作用在塔表面上的等效设计风荷载，kPa；

ω0——基本风压，kPa；

Cp(θ)——平均风压分布系数；

β——风振系数；

μz——风压高度变化系数。

由上述公式可计算出每个高度风压沿塔筒表面分布的情况，如图3所示。

图3 壳体水平截面风压分布示意（右风）

由图3知，最大风压出现在与风向成70 度角位置，且为负压。通过midas 对模型的计算分析，可知在风荷载作用下：

桩顶最大竖向力250.0 kN；最大水平力59.5 kN；总水平力3546.5 kN

壳体上部最大水平位移53.4mm。

按振型分解反应谱法计算水平地震作用，用于计算的地震参数如下：

分组=1，烈度=8(0.20g)，场地=III，多遇地震，Tg=0.45s，阻尼=0.05

由midas 模型分析结果如下：

桩顶最大竖向力96.9 kN；最大水平力53.5 kN；总水平力21577.0 kN

壳体上部最大水平位移10.9 mm。

以上结果，地震作用下结构总水平力明显大于风荷载作用。对于桩顶竖向力，风荷载作用则大于地震荷载作用。同时，由壳体位移值结合midas 模型变形模态知，风荷载作用下壳体以相对变形为主，而地震作用下壳体以整体平动为主。

因此，也不能整体判断荷载组合时考虑以何种荷载为主。也就是说，整体而言，风荷载和地震荷载不存在哪种荷载可以忽略[5]。

4 结语

Midas 模型中以节点弹性支承的边界条件模拟预应力管桩的作用，能较为真实反映桩对上部结构的作用。同时也使模型较为简洁，提高计算效率。本工程自然通风冷却塔外壳，基础以水平力控制为主。人字柱以拉力控制。自然通风冷却塔外壳，风荷载与地震荷载不能整体判断以何种荷载为主。对于双曲线壳体，风荷载作用下以相对变形为主，而地震作用下以整体平动为主。