２６ 江苏建筑 ２０１４年第５期（总第１６４期） 双曲线冷却塔有限元结构分析 陈爱君 【中铁上海设计院集团有限公司南京设计院，江苏南京２１０００９） 【摘 要】 通过建立双曲线冷却塔的ＡＮＳＹＳ有限元模型，分析了冷却塔在自重、风荷栽作用下的应力及变形分布规律，分 析结果对于理解冷却塔在不同工况作用下的力学性能具有重要意义，可为该类型冷却塔的结构设计提供参考。 ［关键词］ 双曲线冷却塔；ＡＮＳＹＳ；应力；变形 【中图分类号】ＴＵ３４７［文献标识码］Ａ【文章编号］ｌ０Ｏ５—６２７０（２０１４）０５—００２６—０３ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｔｏｗｅｒ ＣＨＥＮ Ａｉ－ｊｕｎ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｄｅｓｉｎ ｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅＧｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１０００９ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ＡＮＳＹＳ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｏｗｅｒ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｎｄｅｒ ｓｅｌｆ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｗｉｎｄ ｌｏａｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｏｗｅｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｙｐｅ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｏｗｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｏｗｅｒ；ＡＮＳＹＳ；ｓｔｒｅｓｓ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ０引言 受到工程界的高度重视。因此论文基于ＡＮＳＹＳ技术平台建 冷却塔是以承受风荷载为主的高耸空间的薄壳结构． 在电力、石油、化工、冶金等工业部门中发挥着重要作用。自 １９１０年荷兰学者依特尔松提出钢筋混凝土壳体用于建造 双曲线冷却塔以来．至今，冷却塔的建造高度已逾２００ｍ。淋 立参数化设计语言（ＡＰＤＬ）分析程序具有一定适用性．可为 同类冷却塔的合理设计提供参考 １ 工程概况 分析对象为某电厂淋水面积为２０００ ｍ２的双曲线型自然 通风冷却塔，塔筒进风口直径为５５ ｍ，塔筒顶部直径为３２ ｍ。 冷却塔高度为７Ｏ ｍ．冷却塔喉部标高为５５ ｍ．壳体最小厚度 １３０ ｍｍ．下环梁最大厚度５００ ｍｍ．采用４０对人字柱支撑壳 体，人字柱为直径５００ ｍｍｘ５００ ｍｍ的方柱。人字柱下面采用 刚性环梁和桩基础。该地区基本风速为Ｏ．５５ ｋＮ／ｍ２。场地类 水面积超过１０ ０００ ｍ２。近一个世纪里，人们对双曲线冷却 塔进行了大量的理论计算、现场实测和模型实验工作，取得 了长足的进步 随着火电单机容量的发展。冷却塔越来越 高．厚径比越来越小．对冷却塔在风载荷作用下的动力分析 显得非常必要。目前大型火电厂冷却塔一般有１４０ｍ高．此 类冷却塔在国内外研究得比较多．需要做风洞试验并采用 专门的设计程序．而在小型火力发电厂中采用的双曲线冷 别为Ⅱ类．地面粗糙度为Ｂ类。壳体和人字柱采用Ｃ４０混 凝土．有限元计算时混凝土容重为２５００ ｋｇ／ｍ３．弹性模量为 ３．２５ｘ１０ Ｐａ。 却塔一般塔高７０ ｍ．很少有资料和文献涉及。因此本文以 某电厂双曲线型冷却塔为例．采用通用有限元程序ＡＮＳＹＳ 分析了冷却塔在自重．风荷载作用下的内力和变形 冷却塔由旋转壳体、支柱、环梁３大部分组成．筒壁是 冷却塔通风的主要组成部分．它是承受以风荷载为主的高 耸的薄壁结构．对风载十分敏感．斜支柱为通风筒的支撑结 构。主要承受筒壁自重、风荷载和温差应力。斜支柱在空间 是双向倾斜的，按其几何形状有“人”字形、和“Ｖ”字形、“Ｘ” 字形，截面通常有圆形、矩形、八边形等。基础主要承受斜支 柱传来的全部荷载。按其结构形式分为环形基础ｆ包括“Ｔ 型基础）和单独基础。冷却塔在风荷载作用下的安全性历来 ２有限元模型 在ＡＮＳＹＳ计算模型中，塔筒选用弹性壳Ｓｈｅ１１６３单元． 它既具有弯曲能力，又具有膜力．可以承受平面内荷载和法 向荷载，该单元有４个节点，每个节点有６个自由度。斜支 柱采用两节点六自由度的空间梁单元Ｂｅａｍ１８８．假定斜支 柱与塔筒底部刚性环梁为刚性连接．弹性壳ＳＨＥＬＬ６３单元 【收稿日￣］］２０１４－０４．０１ 【作者简介】陈爱君，￣（１９８２一），中铁上海设计院集团有限公司南京 设计院，工程师，从事工业建筑结构设计。 江苏建筑 ２０１４年第５期（总第１６４期） ２７ 与梁ＢＥＡＭｌ８８单元的节点自由度合并通过ＮＵＭＭＲＧ命 令实现。斜支柱与基础亦为理想刚性连接。建立的有限元模 型如图ｌ所示 应考虑多振型的影响。通过周期与频率的对应关系得到冷 却塔基本自振周期ＴＩ＝ｌ／２．５３０４＝０．３９５ ｓ。 表１ 冷却塔自振周期及频率 ５风荷载作用分析 冷却塔属于高耸薄壁结构．对于风荷载比较敏感，设计 时不容忽视。首先．塔简的配筋往往由风荷载引起的拉力与 重力荷载引起的压力之差即拉弯控制：其次。风荷载在塔简 表面的分布非常复杂．塔简的脉动风压值与塔的动力特性、 塔筒表面有无加肋情况、塔群效应等关系密切。对于基本风 压值较大的大塔宜通过风洞试验确定塔的脉动风压值。根 据《工业循环水冷却设计规范》ｆＩｌ中的规定，作用于冷却塔表 面上的等效风荷载采用公式（１）计算： 图１冷却塔有限元分析模型 ３重力荷载作用分析 （互 ） （口 ｏ （１） 其中，／／）。为基本风压； 为风压高度变化系数，对于Ｂ 冷却塔在自重荷载作用下整体应力、位移除塔简底部外 分布都很均匀．并可观察到支柱端部有明显的应力集中现 象。塔筒应力均为压应力。随着位置升高。塔筒应力逐渐减 小．塔筒底部因壳体厚度随高度减薄从而导致应力并非连续 变化．在塔筒底部人字柱支点间部位以及塔顶虽没有出现拉 应力．但其压应力很小。其应力分布规律与冷却塔选型有关。 类地面／Ａ＝Ｉ．Ｏｘ（ｚ／ｌＯ）￣－￣￣，Ｇ（ ）为平均风压分布系数，可按下 式确定ｃＡｏ）＝∑ ＣＯＳ（ ）， 为系数对于无肋双曲面，系 ＝０ 数依次为一０．４４２６，０．２４５ｌ，０．６７５２。０．５３５６，０．０６１５，一０．１３８４， ０．００１４．０．０６５０．其中０为从风吹人方向开始计算的环向角 度（纬向角）；风振系数 ＝１．９。 本文假设冷却塔来风方向角为Ｏｏ。．施加所选面的风荷 计算表明．冷却塔在重力荷载作用下的应力水平较低．最大 压应力约为４．４３ ＭＰａ．出现塔筒底部刚性环梁与人字柱交界 处。自重工况下塔简位移主要是子午向位移，塔简向下变形， 载，由公式（１）得知风荷载在塔筒表面分布随高度和纬向角 非线性变化．故首先要在分析前定义完毕风载荷函数然后 且位置越高．变形越大．塔顶位移达到１７．１ ｍｍ． 加载。冷却塔的喉部高度为５５ｍ．我们可以得到该处的风压 随纬向角变化的曲线如图３所示 ｝ ｜ ＼ ｆ 、 一， Ｉ ｛。 ｌ ｆ ｜ ｜ ＼一 ● ¨ Ｕ● Ｕ● １．．／ ’ｌ ／ ｜ ｌ ｝ ｜． ｌ ｔｔｌｅ ｌｔ．，‘． ４ｔＱｌ 图２自重工况下等效应力 图３风荷载随纬向角变化曲线 在纬向角为０ｏ时．附近风荷载压力设计值达到最大 ２ ３８０ Ｎ／ｍ２．在７０￣和２９０￣附近风吸力达到最大３ ６００ Ｎ／ｍ ， ４模态分析 模态分析可以得到冷却塔的自振周期（频率），是结构地 震反应分析的重要过程。利用ＡＮＳＹＳ有限元模型，计算了 冷却塔背风面１２０￣至２４０￣之间风吸力较小．分布也比较均 衡 在风荷载和自重荷载作用下冷却塔的变形和内力见图４ 至图７所示 冷却塔前８阶自振频率和周期．其计算结果如表１所示。从 表中可以看出冷却塔自振频率十分密集．前８阶主要集中 在２．５３ Ｈｚ一３．３３ Ｈｚ．由此可见该冷却塔刚度很大，计算时 从图４和图５冷却塔径向位移云图可以看出，在风荷 ２８ 江苏建筑 ２０１４年第５期（总第１６４期） 载和自重荷载作用下冷却塔变形主要集中在喉部附近．表 现为纬向角为０ｏ时壳体凹陷．其最大值为２１ ｍｍ．在纬向角 为７０ｏ和２９０ｏ附近。壳体外鼓最大位移为１６ ｍｍ左右。因此 在风荷载作用下冷却塔主要变形表现为喉部附近壳体的凹 凸变形。 从图６冷却塔的主应力云图得知：塔筒喉部往下至塔 底以上区域壳体向塔内凹陷．在荷载作用下拉应力较大．其 主要出现在沿主导风向纬向角在（一２５０＋２５。及±（７５ｏ １１５￣）） 之间．在塔顶部位出现拉应力集中现象 计算中对壳体单元 顶面、中面、底面的应力值分别进行考查，在自重和风荷载 图４冷却塔径向位移云图 作用下筒壁第１主应力最大值出现在沿主导风向的塔筒内 壁．其最大值达２．５２ ＭＰａ 从图７冷却塔的Ｖｏｎ—Ｍｉｓｅｓ应力云图可以看出较大应 力集中在塔筒底部与人字柱相接处 此部位应力较大主要是 在该节点处形成了应力集中 因此设计时底部壳体必须具有 足够的厚度来防止应力过分集中导致的局部压坏 本工程中 底部壳体厚度为５００ ｍｍ．而壳体最大应力为１１．９ ＭＰａ．小于 Ｃ４０混凝土受压强度设计值１９．１ ＭＰａ，设计偏于安全 从计 算结果得知冷却塔在风载作用下应力水平较大 ６人宇柱受力分析 根据冷却塔人字柱在重力荷载、风荷载分别作用下的 轴力及弯矩直观对比．得出一些有益的结论．图８至图ｌｌ为 图５冷却塔径向位移俯视图 重力荷载、风荷载叠加重力荷载两种工况作用下人字柱轴 力图及弯矩图。从计算结果可以看出，在重力荷载作用下． 图６冷却塔主应力云图 图８ 自重荷载作用人字柱轴力图 图９自重荷载作用人字柱弯矩图 图７冷却塔Ｖｏｎ—Ｍｉｓｅｓ应力云图 （下转第３４页） ３４ （１）对底部框架一抗震墙结构进行了检测鉴定的分析， 对框架梁柱的强度用回弹法进行检测．对于砌体砌筑砂浆 强度则采用贯人法进行检测．得到了检测的数据．表明该结 构的主要混凝土构件的抗压强度以及砌体构件的砌筑砂浆 抗压强度不满足相关规范的要求 （２）对于房屋的安全性和抗震性鉴定．依据鉴定标准确 定了房屋整体安全性的Ｃ 级；对于房屋的抗震性能，则利 用ＰＫＰＭ软件对其进行分析．得出砌体部分的抗压和抗剪 强度不满足规范的要求 从安全性和抗震性方面分析。该房 屋均需要进行加固 （３）对于底部框架一抗震墙结构的检测鉴定分析也可使 江苏建筑 参考文献 ２０１４年第５期（总第１６４期） 【１】ＧＢ５０２２３—２００８建筑工程抗震设防分类标准【Ｓ】．北京：中 国建筑工业出版社．２００８． 【２】ＧＢ５００２３－２００９建筑抗震鉴定标准［ｓ】．北京：中国建筑工 业出版社．２００９． ［３】ＧＢ ５０００７—２０１１建筑地基基础设计规范［ｓ】．北京：中国 建筑工业出版社．２０１１． ｆ４１ ＪＣ３『／Ｔ ２３—２０１１回弹法检测混凝土抗压强度技术规程 ｆＳ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１１． ［５】ＪＧＪ／Ｔ １３６—２００１贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规 程ｆＳ１．北京：中国建筑工业出版社，２００１． 用于其他的结构形式 从安全性和抗震性两方面分析．从而 使房屋的安全储备更高，结构更安全。 ［６】ＧＢ ５０２９２—１９９９民用建筑可靠性鉴定标准【ｓ］．北京：中 国建筑工业出版社．１９９９． （上接第２８页） 下．往往是拉弯工况控制截面配筋。本工程人字柱采用 ５００ ｍｍ￣５００ ｍｍ方柱．采取对称配筋方式．截面四周共配 置ＨＲＢ４００级钢筋１２ ２５．根据上述内力按双向拉弯构件 计算后，配筋满足设计要求。 ７结论 通过建立ＡＮＳＹＳ有限元模型．分析了该冷却塔的自振 周期及其在风荷载和自重作用下应力及位移．可以得到如 下结论： （１）从冷却塔位移图可以看出，该结构顶部产生了不规 则凹凸变形．应该加强顶部环梁的刚度：塔筒底部与人字柱 相接处应力集中现象较为明显．应同时加强底部环梁的刚 图１０风荷载作用人字柱轴力图 度，使整个结构的薄弱部位受力得到有效保障。 （２）ｇｔ荷载是冷却塔结构设计中非常重要的荷载．应引 起足够重视．冷却塔结构设计往往是风荷载起控制作用，人 字柱截面设计通常是拉弯工况控制。由于小型火力发电厂 里的冷却塔一般比较固定．本文的计算和分析结果为今后 完善冷却塔结构设计提供了参考依据 参考文献 ｆＩ１ ＧＢ／Ｔ５Ｏ１０２—２Ｏ０３工业循环水冷却设计规范ｆＳ１．北京：中 国计划出版社．２００３． 【２］ＧＢ５０００９－－２０１２建筑结构荷栽规范【ｓ】．北京：中国建筑 工业出版社．２００２． ［３】王呼佳，陈洪军．ＡＮＳＹＳ工程分析进阶实例【Ｍ】．北京：中 图ｌ１风荷载作用人字柱弯矩图 国水利水电出版社．２００６． 人字柱最大轴向压力一５２０ ｋＮ．最大弯矩１５．９ ｋＮ．ｍ 在风荷 载与自重作用下．人字柱最大轴向压力１３８０ ｋＮ．最大轴向 拉力为４６６ ｋＮ．最大弯矩为５５．７ ｋＮ．ｍ．风荷载作用效应远 大于重力荷载作用效应 在风荷载作用下．人字柱不仅受到轴力作用．还受到双 向弯矩及剪力作用，处于非常复杂的受力状态 风荷载在冷 ［４】郑付明．ＡＮＳＹＳ在冷却塔结构设计中的应用ＩＪ］．江汉大 学学报（自然科学版），２００５（４）． 『５１沈小峰，周桂芬，陈忠范．小型双曲线冷却塔风荷载有限 元分析Ｕ１．江苏建筑，２００８（６）． ｆ６１冀健红，丁玉玺，王义波．ＡＮＳＹＳ在双曲线型冷却塔分 析中的应用Ｕ］．武汉大学学报（工学版），２０１１（３）． 却塔的结构设计中不容忽视．且人字柱在设计风荷载作用
