局部开洞超大型冷却塔抗震性能弹塑性分析

蔡新江，王名，毛小勇,2，田石柱,2

(1.苏州科技大学 土木工程学院， 江苏 苏州 215011；2.江苏省结构工程重点实验室， 江苏 苏州 215011)

0 引言

随着用电量的不断提升，在高烈度区选址的电厂逐渐增多，配建的冷却塔高度也超出了现行规范的适用范围，目前位于高烈度区200 m高以上的超大型冷却塔也在规划和建造当中，投资巨大，地震下一旦发生破坏将造成巨大的经济损失，因此对超大型冷却塔的抗震性能研究也在不断深入。近年来针对200 m以上超大型冷却塔的抗震性能，文献[1-3]基于有限元软件对不同支柱类型的冷却塔进行了弹塑性分析及能力谱分析，文献[4-7]采用欠质量混凝土冷却塔模型进行了振动台试验，研究结果均表明支柱与塔筒连接处是冷却塔的薄弱部位，上部塔筒较少发生破坏。

对冷却塔进行开洞，一是出于环保的需要，通过局部开洞的方式对冷却塔进行烟气的脱硫脱硝除尘一体化改造，目前已经成为冷却塔新建及改造的一种趋势；二是烟塔合一技术，利用局部开洞进行排烟，从而取消烟筒的建造，不仅可以满足该地区对建筑物高度的限制，同时又减少占地并节约工程投资。因此，需要研究开设局部洞口情况下冷却塔的力学性能。针对开洞冷却塔的抗风性能，张卫喜等[8]分析了风荷载作用下冷却塔开洞前后、洞口局部及整体的强度和稳定性，结果表明圆形洞口对冷却塔的整体影响较小，但洞口边缘应力集中明显，洞口高度设置应尽可能降低环梁附近整体弯矩效应的影响，当洞口方向沿主导风向开洞时洞口边缘应力集中最为明显。王铭等[9]对局部开洞烟塔合一冷却塔的内力及线性稳定性进行了分析，计算表明 在72°风向角风压作用下在孔口附近产生局部屈曲, 使临界风速急剧下降, 而在孔口附近经局部加厚处理可消除局部屈曲现象。冯志强等[10]采用钢桁架方式对高位开孔冷却塔的洞口进行了局部加固处理，并对加固构件进行了内力分析，较好地解决了开洞带来的施工难题。王宝福等[11]对局部开大孔排烟冷却塔在自重和风荷载作用下进行了静力和稳定性分析，结果表明局部开洞对稳定性影响不大，但局部应力显著。刘志刚等[12]对我国首个自主设计的排烟冷却塔开孔后对塔筒稳定性和应力的影响、V 字柱不等间距布置对塔筒及环基的影响等进行了较为全面的研究分析，结果表明采取一定的工程设计措施后在冷却塔上开洞是可行的。柯世堂等[13]利用振型分解反应谱法对烟塔合一冷却塔进行线性分析，并将地震与风分别作用下的环基内力和位移反应进行对比，结果表明环基的径向、竖向弯矩及位移比常规无孔冷却塔数值明显增大, 开孔周边塔筒产生明显的应力集中, 其数值也远大于地震作用下的应力值, 经稳定性分析发现需采取开孔加固措施控制风振影响。马奔等[14]探讨了洞口大小和洞口高度对冷却塔整体结构及洞口局部的影响，结果表明一定尺寸范围内洞口的开设对冷却塔的整体结构影响较小，但在洞口局部出现明显的应力集中效应，且应力集中效应不容忽视。

综上所述，针对局部开洞冷却塔的力学性能，目前的研究主要集中在抗风方面，并且高度限定在常规高度范围内，而对200 m高度以上的超大型冷却塔的开洞研究相对还较少，本文拟结合一座220 m高度超大型双曲线钢筋混凝土冷却塔，进行局部开洞后冷却塔在罕遇地震作用下弹塑性时程分析，研究开洞对整体结构和局部洞口的影响，为冷却塔的设计、施工和运营维护提供研究参考。

1 冷却塔有限元模型

原型结构取自某火电厂中一座双曲线自然通风式钢筋混凝土冷却塔，塔高220 m，喉部高度166.1 m，进风口高度28.74 m；塔筒底部中面直径188 m，喉部中面直径103 m，顶部中面直径117 m；塔筒壳体采用分段等厚，最小厚度0.375 m，最大厚度1.7 m；塔筒支撑在58对截面尺寸为1 600 mm×900 mm 的X形支柱上，支柱下设置矩形支墩和环形基础；塔筒采用C45混凝土现浇；支柱采用C50混凝土，支墩和环形基础采用C35混凝土。抗震设防烈度为8°，设计基本地震加速度为0.2 g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。

采用ABAQUS进行有限元建模，假定X型支柱及支墩与塔筒底部环梁、基础均为刚接。上部塔筒选用S4R分层壳单元来模拟钢筋混凝土，忽略壳单元平面外的剪切变形；底部X形支柱选用考虑剪切变形影响的B31梁单元，支柱中的钢筋通过插入Rebar纤维进行模拟。进行分析时，塔筒的混凝土采用ABAQUS塑性损伤模型，钢筋采用理想弹塑性模型。网格划分共计23 664个单元，其中壳单元21 808个，梁单元1 856个。为了研究开洞对冷却塔结构的影响，设置地震输入方向和洞口大小两个参数作为变量，X向为垂直洞口方向，Z向为平行洞口方向，Y向为竖向，地震输入方向分X向和Z向，洞口形状为正方形，边长分别为12 m和15 m，洞口距离地面高度52 m，沿主导风向开设。

依据选取地震动反应谱在结构主要周期点上与设计谱相近的原则，选取了EI Centro波、什邡波两条天然地震动，并结合规范反应谱结合场地条件利用SIMOKE软件拟合生成1条人工地震动，每组波时长20 s，在有限元模型底部输入地震波对冷却塔进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。

2 开洞对冷却塔受力影响分析

2.1 冷却塔的振型

冷却塔结构振型密集，振型间耦连效应较为复杂，通过模态分析可以得到原型冷却塔(以下简称原型塔)和开洞冷却塔(以下简称开洞塔)的多阶振型，主要分为局部振型和平动振型两类，第1阶局部振型和第7阶平动振型结果，原型塔及开洞塔振动振型图如图1所示，其他振型规律基本一致，限于篇幅暂 未给出。由图1可知，开洞与否对冷却塔的局部振型几乎没有影响，对平动振型洞口处有小范围影响，但影响很小，近似可以忽略，进一步说明开洞之后对冷却塔整体结构的动力特性影响较小，其原因主要在于冷却塔的高度较高，洞口相对整体结构来说较小，影响不大。

(a1) 原型冷却塔1阶振型(f=0.61)

2.2 塔筒应力及塔筒损伤

罕遇地震作用下原型塔及开洞塔塔筒Mises应力云图如图2所示，不同地震作用下原型塔及开洞塔塔筒最大Mises应力见表1。原型塔的塔筒应力最大值大多出现在塔筒与支柱交界处及筒体喉部两个位置，应力最大值为6.71 MPa，最小值基本均出现在筒体顶端；与原型塔相比，开洞塔塔筒相应位置应力大小基本不变，其变化幅值不超过5%，但其局部应力分布发生变化，其中El Centro波的应力分布变化相对较为显著，说明选取地震波的频谱特性会对该结构产生较大影响。所有开洞塔的筒体应力最大值基本均出现在洞口边缘，应力最大值为14.04 MPa，与原型塔各工况相比，应力最大值增大约1.27～2.53倍，均出现应力集中现象，部分工况超过塔筒混凝土强度的抗拉设计值，导致混凝土开裂。与X向地震输入工况相比，Z向输入工况下应力最大值有所增加。开洞前，人工波工况下塔筒应力最大值相对最大，开洞后，El Centro波工况下塔筒应力最大值相对最大，原因是El Centro波的卓越频带较宽，引起结构振动反应最大。12 m洞口工况下洞口边缘应力最大值是15 m洞口下1.07～1.37倍，可判断开洞大小对洞口局部应力影响较大，洞口尺寸越小，洞口应力集中相对越明显。

表1 不同地震作用下原型塔及开洞塔塔筒最大Mises应力

罕遇地震下不同冷却塔的塔筒混凝土损伤云图如图2(d)、图2(e)所示，由图2(d)和图2(e)可知，原型塔和12 m洞口塔的塔筒均未出现损伤，但在EI Centro波大震下15 m洞口塔的塔筒喉部出现了损伤，X向地震下损伤出现在喉部，Z向地震下损伤出现在洞口顶端附近。

(a1) EI Centro-X原型

2.3 洞口局部Mises应力和轴向应力

罕遇地震作用下开洞塔洞口处Mises应力云图如图3所示。原型塔对应开洞处最大应力均比开洞塔塔筒的最大应力相对要小。开洞后洞口边缘最大应力与表1中塔筒最大应力完全相同，则进一步证实最大应力均集中出现在洞口处，应力集中现象较为明显。X向输入地震波工况下，洞口边缘主应力沿洞口竖向轴线呈轴对称分布，Z向输入地震波工况下，洞口边缘主应力沿洞口中心呈旋转对称分布。开洞塔的X向反应均小于Z向反应，洞口边缘压应力增大约1.04～1.38倍。

(a1) EI Centro-X洞口12 m

罕遇地震作用下开洞塔洞口处轴向应力云图如图4所示，不同地震作用下开洞塔洞口最大轴向应力见表2。原型塔对应开洞处轴向应力基本均为压应力。开洞后，洞口上下端中部轴向应力出现了拉应力，同时压应力最大值陡然增大，开洞工况最大压应力是原型塔对应开洞处的3.38倍以上，洞口处出现典型的应力相对集中现象，但无论拉应力还是压应力均未超过该混凝土的强度设计值。轴向应力分布规律与Mises应力分布规律类似。同时，开洞后El Centro波下塔筒轴向应力最值相对最大。

(a1) EI Centro-X洞口12 m

表2 不同地震作用下开洞塔洞口最大轴向应力

2.4 支柱轴向应力云图和弯矩

罕遇地震作用下开洞塔支柱轴向应力云图如图5所示，不同地震波作用下各冷却塔支柱轴向应力最值见表3。地震作用下，支柱上下端部位是冷却塔的典型薄弱部位，支柱轴向应力最值基本均集中在一侧柱顶(与塔筒连接处)和另一侧的柱底(与支墩连接处)，支柱采用梁单元建模，不同地震下冷却塔的支柱应力基本没有变化，但压应力均已经超过混凝土的抗压强度设计值，说明支柱部位已经产生局部塑性损伤。X向和Z向地震输入方向对不同类型冷却塔的支柱轴向应力影响较小。

(a1) EI Centro-X洞口12 m

表3 不同地震波作用下各冷却塔支柱轴向应力最值

不同地震波作用下各冷却塔支柱弯矩最值见表4。由表4可知，开洞后冷却塔的支柱弯矩相对略有减小，但降低的幅值不大。地震波不同的输入方向对支柱弯矩影响不大。

表4 不同地震波作用下各冷却塔支柱弯矩最值

2.5 塔筒位移峰值

罕遇地震作用下原型塔及开洞塔的塔筒位移峰值见表5，由表5可知，各对比工况下塔筒位置峰值基本没有变化，说明开洞与否对塔筒的整体位移反应基本没有影响。

表5 罕遇地震作用下原型塔及开洞塔的塔筒位移峰值

3 结论

罕遇地震作用下，原型冷却塔及开设12 m×12 m和15 m×15 m洞口的冷却塔的力学特性如下：

① 原型塔的塔筒应力最大值基本均出现在塔筒支柱交界处及塔筒喉部两处位置，最小值基本均出现在塔筒的顶端，塔筒混凝土均未出现损伤。

② 开洞塔塔筒应力的最大值基本均出现在洞口边缘，局部应力会超过混凝土的抗拉强度设计值，导致混凝土产生开裂。洞口尺寸越小，洞口应力集中现象越明显。与X向相比，Z向地震作用下开洞塔塔筒应力最大值有所增加。X向地震下洞口边缘主应力沿洞口竖向轴线呈现轴对称分布，Z向地震下洞口边缘主应力沿洞口中心呈现旋转对称分布。EI Centro大震下15 m×15 m洞口冷却塔的塔筒出现了局部损伤，X向地震下损伤主要出现在喉部，Z向地震下损伤主要出现在洞口顶端附近。

③ 原型塔开洞处轴向应力基本均为压应力。开洞塔在洞口上下端中部轴向应力出现了拉应力，同时压应力最大值陡然增大，但无论拉应力还是压应力均未超过混凝土的强度设计值。轴向应力分布规律与主应力分布规律基本相似。

④ 支柱轴向应力最值主要集中在柱顶和柱底。不同地震下冷却塔的支柱应力基本没有变化，但压应力均已超过混凝土抗压强度设计值，说明支柱已经产生局部塑性损伤。

⑤X向和Z向地震对不同冷却塔的支柱轴向应力影响不大。开洞与否及地震波输入方向两个因素均对支柱弯矩和塔筒峰值位移影响不大。