超大型钢筋混凝土冷却塔模型地震模拟振动台试验研究

翁旭然，戴君武，胡扬

(中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江，哈尔滨 150000)

0 引言

2005 年，S Sabouri－Ghomi等人［1］使用Ansys对地震荷载下的钢筋混凝土冷却塔进行了安全评估，得出支柱塑性铰的产生对冷却塔稳定性的影响.2010年，薛文等人［2］用ABAQUS对不同场地类型上的超大型冷却塔进行了地震性能研究，得出冷却塔的塔身底部和喉部为薄弱位置，而且应避免在不利场地条件下建造.2012年，于敏等人［3］使用ABAQUS分析了竖向地震作用对超大型冷却塔结构的影响，得出竖向地震作用对冷却塔塔壳的竖向加速度和竖向位移、塔壳喉部主应力影响明显的结论.但这些有限元分析的结果缺少试验的对比和支持.

随着热力发电厂的飞速发展，超大型间接空气冷却塔(1 000 MW级)将在我国一些高烈度地区，例如中北部和西北部地区，设计并建造使用.为掌握超大型空气冷却塔的结构动力响应特性，获得关键部位的地震响应，评价间接空气冷却塔结构抗震性能，为高烈度区1 000 MW级发电厂间接空气冷却塔的结构设计奠定基础，本研究对其1∶30的缩尺模型进行地震模拟振动试验，根据试验结果，研究X支柱等关键部位的抗震节点设计，找出抗震薄弱环节，提出合理的抗震措施和结构建议.

1 空气冷却塔原型介绍

超大型空气冷却塔原型结构由中国西北电力设计院设计，为钢筋混凝土结构，总高220 m，底部直径188 m，喉部直径106 m，塔筒为双曲线，最大壁厚1 700 mm，最小壁厚375 mm，塔筒下部由58对29 m高的X型RC支腿支撑(图1)，该塔若建成，将成为世界上最大的空气冷却塔.

图1 空气冷却塔原型结构示意图(单位:m)Fig.1 Structure of the super cooling tower(unit:m)

图2 X型支柱应变布设位置示意Fig.2 Strain gage’s location of the X － pillars

2 地震模拟振动台试验

2.1 模型设计与制作

为满足模型缩尺比尽可能大以提高试验质量的要求，试验模型采取1∶30的几何缩尺比进行模型设计.考虑到冷却塔为薄壳结构，采取铅砂微粒混凝土来均布提高本体材料质量密度，而非配加外挂或粘贴人工质量的方式实现相似模拟，采用欠人工质量模型进行试验，根据长度相似比、等效密度相似比及材料性能试验测得的弹模，按照动力模型试验一致相似率原理［4］推得模型相似关系(见表1).

表1 模型试验相似关系Tab.1 Similitude constants of the model

2.2 试验及加载方案

2.2.1 传感器的布置

由于冷却塔结构系轴对称结构，试验拟沿振动台X、Y向，在曲面壳底环梁(X支柱柱头子午向和环向)、喉部(子午向和环向)、顶环梁(内外环向)标高位置各选取一个测点;在对应位置各选取一X型支柱，在模型X型支柱的上下端部、以及X型支柱的交叉点上下支柱截面(左柱环向和径向外侧，右柱环向和径向内侧各一个)以及交叉中心(径向内外侧和环向一侧)等5个标高上，布设位置如图2所示，共布应变测点66个.

如图3所示，沿振动台X、Y两个方向，在台面及塔身四个标高处模型外侧各选取一个测点，每个测点布设X、Y、Z向加速度传感器，以测量空冷塔模型结构上述共10个测点位置沿X、Y、Z三个方向的加速度反应，共布设加速度传感器10×3=30只.

如图4所示，为获得空冷塔结构的绝对位移地震反应和相对变形地震反应，沿振动台X、Y两个方向，对自振动台台面及塔筒4个关键标高位置共10个测点的水平X、Y向绝对位移反应(同加速度测点)、3个标高范围内的两段相对变形进行测量，布设绝对位移传感器10×2=20只，以及相对位移传感器4只，共布设绝对位移和相对位移测量传感器24只.

图3 加速度传感器布设位置示意图Fig.3 Location of the acceleration transducers

图4 位移传感器布设位置示意图Fig.4 Location of the displacement sensors

2.2.2 台面地震激励输入

为验证该空冷塔在不同场地条件下的抗震性能，选取I～IV类场地每类场地3组地震加速度记录(2组实际地震记录和1组人工模拟记录)，共12组地震进行地震激励输入，其中实际地震动从谢礼立院士原始编撰的《建筑抗震设计通则2004》［5］中精选的可用于时程分析的16组“最不利地震动”中选取.

试验加载工况按加速度峰值由低到高排序，按照I～IV类场下7度多遇、8度多遇、7度偶遇，7度罕遇(8度地震)、8度罕遇5个级别72个工况进行3向地震动输入，观察检验模型结构在不同场地条件不同地震动激励水平下的反应性态.同时，在每个级别的地震模拟试验工况前后，进行模型振动模态特性试验，实时监控模型结构在经历每个阶段地震动工况后的振动特性变化情况.地震波持时按照模型试验相似关系压缩为原波的6.58%，加速度峰值按《建筑抗震设计规范GB5001－2010》［6］和相似关系确定;按规范，3向加速度峰值比按1(主水平向X向)∶0.85(副水平向Y向)∶0.65(竖向Z向)进行调整.

2.3 试验现象

7度、8度多遇地震下空冷塔基本完好，无明显裂纹.在7度偶遇地震后在支腿上端出现少许细微横向裂纹(图5(a)).随着加速度峰值增大，并随着加速度峰值增大，支腿的上端与下端裂缝逐渐增多扩展，最终一些柱头混凝土被压溃(图5(b))，并且在支腿四肢中段出现横向裂纹(图5(c)).塔筒上部晃动随着地震加速度峰值增大显著增大，7度罕遇地震(8度偶遇地震)后在负X向标高4.5 m处附近塔筒外侧混凝土受压掉落，出现长约60 cm水平裂缝(图5(d))，8度罕遇地震时水平扩展，最终成为一条贯穿第二象限的水平裂缝(图5(e))，并在另一侧塔顶混凝土掉落，塔筒出现2条横向受拉裂缝(4.5 m，6 m)(图5(f)).在所有试验工况结束后，最终模型结构未发生倒塌(图5(g)).

图5 支腿及塔筒破坏状况Fig.5 Damage situation of support leg columns and tower drum

3 模型试验结果

3.1 模型结构自振频率

在每个级别的地震模拟试验工况前后，均用白噪声对结构进行了扫频，得出了各阶段基本自振频率，如表2所示.由表2看出，初始状态下两个水平方向的频率十分接近，验证了该模型结构中心对称，两个方向刚度基本相等.随着地震动峰值增加，结构损伤不断加深，自振频率不断降低，X向频率下降的幅度要大于Y向，这是由于进行3向地震动输入时，X向为主向，Y向为副向，导致X向的损伤要大于Y向，最终X、Y向基本自振频率分别降为原来的45.82%和56.92%.

表2 各级别地震工况前后结构基本自振频率Tab.2 Structure’s basic frequency under five occurrences (Hz)

3.2 模型结构的动力反应

结构在地震动激励下的位移响应可由位移传感器获得，分别沿X向、Y向从台面至塔顶共5个关键截面标高处10个测点布设了位移传感器，由试验结果获得各水准下X向和Y向最大位移响应包络图，如图6所示.由图6可见，塔筒中部的最大相对位移要大于塔筒上下端，由此可见塔筒发生了薄壳的局部振动.

图6 模型结构水平最大位移包络图Fig.6 Displacement envelope diagram of the model

4 结语

1)通过对1 000 MW级热力发电厂间接空气冷却塔结构1:30振动台模型试验，以及对试验结果的分析整理，可认为该结构基本满足7度、8度抗震设防区“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震要求.

2)从试验结果看，支腿是空气冷却塔的薄弱环节，支腿的上下端部最早出现破坏，并且也普遍破坏比较严重;由于鞭梢效应，塔筒喉部以上也属于危险部位，在大震下可能出现混凝土脱落，需要加强.

3)塔筒薄壁处的沿环向破坏，作者猜测与由于受较为密集的多个相邻高阶振型影响，在环向同时激发出多个环向波纹耦合振动叠加［7］，引发较强的薄膜振动有关.

［1］Sabouri－Ghomi S，Kharrazi M H K.Reinforced concrete column－supported hyperboloid cooling tower stability assessment for seismic loads［J］.Scientia Iranica，2005，12(2):241 －246.

［2］薛文，白国良，姚有成，等.超大型双曲冷却塔考虑不同场地类型的地震性能研究［J］.水利与建筑工程学报，2010，8(4):224－226.

［3］于敏，刘晋超，吴波，等.竖向地震作用对超大型冷却塔结构的影响分析［J］.工程抗震与加固改造，2012，34(3):44－49.

［4］张敏政.地震模拟实验中相似律应用的若干问题［J］.地震工程与工程振动，1997，17(2):52－58.

［5］CECS160:2004 建筑工程抗震性态设计通则［S］.

［6］GB 5001－2010 建筑抗震设计规范［S］.

［7］杨耀锋，程玉琢.冷却塔在地基固有频率和振型的试验研究［J］.西安矿业学院学报，1995，15:9－12.