超大型冷却塔结构地震反应分析及试验研究

林春阳

(中国地震局工程力学研究所, 哈尔滨150080)



超大型冷却塔结构地震反应分析及试验研究

林春阳

(中国地震局工程力学研究所, 哈尔滨150080)

近年来， 随着国家环保战略的要求， 我国三北地区正在酝酿建造一批1000 MW超临界空冷机组， 与之相匹配的间接空冷塔结构一般高达200 m以上， 直径可达180 m以上， 进风口高度可达30 m以上。 建设地点多位于南北地震带中北段， 地震危险性高， 场地条件复杂。 其抗震设计必须面对高烈度、 土-结构相互作用以及行波效应等难题。 而目前国内外关于超大冷却塔结构高烈度抗震设计问题的相关研究资料很少， 可参考资料更是罕见。 围绕这一问题， 本文采用地震模拟振动台试验与有限元数值模拟分析相结合的手段， 对超大冷却塔结构的地震破坏机理、 土-结构相互作用、 行波效应及其隔震可行性等问题进行了研究探讨， 主要完成了以下几方面的工作：

(1) 采用欠人工质量相似理论设计了原型高度为220 m， 直径为185 m的超大冷却塔结构1:30缩尺试验模型。 通过地震模拟振动台试验， 获得了考虑不同场地条件的不同烈度工况下超大冷却塔模型结构的动力响应、 振动特性及其破坏特征， 研究揭示了超大型冷却塔结构的地震作用破坏机理， 发现超大冷却塔结构下部的X型支柱上下端部、 筒壁最薄的塔筒喉部是其地震薄弱部位， 为超大冷却塔结构优化抗震设计提供了依据。 通过模型结构有限元数值模拟并与试验结果的对比分析， 交互验证了有限元数值模型与试验模型的合理性。

(2) 针对Ⅱ、 Ⅲ类场地条件下高大结构实际存在的地基土-结构相互作用效应问题， 提出了对设计谱水平地震最大影响系数αmax采用修正系数αs进行调整的方法， 以简化超大冷却塔结构抗震设计分析过程。 采用粘弹性阻尼单元模拟地基土边界， 以某超大冷却塔结构原型为例进行了地基土-结构相互作用分析。 通过对比分析是否考虑土-结构相互作用两个模型的结构动力特性及地震反应， 给出了Ⅱ、 Ⅲ类场地条件下考虑土-结构相互作用时， 冷却塔结构的动力反应规律。

(3) 综合考虑行波效应不利影响， 提出了对设计谱水平地震最大影响系数αmax采用修正系数αT调整的方法， 以简化超大冷却塔结构抗震分析过程。 仍以前述超大冷却塔结构为例， 进行了是否考虑土-结构相互作用效应的超大冷却塔结构行波效应对比分析， 指出视波速大于1000 m/s的I类场地条件下， 超大冷却塔抗震分析可以不考虑行波效应； 视波速≤350 m/s的Ⅱ～Ⅲ类场地条件下， 建议超大冷却塔结构中应对超大冷却塔行波效应给予足够重视。

(4) 给出了超大冷却塔结构采用橡胶支座基础隔震技术的设计分析方法。 本文采用有限元分析方法， 对比研究了是否考虑土-结构相互作用、 是否考虑行波效应等条件下超大冷却塔结构采用基础隔震的减震效果。 以8度抗震设防为例， 证明了超大冷却塔结构采取基础隔震措施后， 上部结构各关键节点之间的地震反应相对位移、 加速度以及X型支柱位移角均能有效降低， 可大幅提升超大冷却塔结构的地震安全性。

关键词超大冷却塔； 地震模拟振动台试验； 土-结构相互作用； 行波效应； 隔震； 地震反应； 修正系数

(作者电子信箱， 林春阳： linchunyang1972@126.com)

中图分类号：TU347；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.03.017