超大型冷却塔考虑地基—基础—上部结构相互作用的地震反应分析

李辉

摘要：以火电厂冷却塔为例，建立了刚性地基和考虑地基、基础、上部结构相互作用的三维有限元模型。通过输入不同的地震动，采用时程分析方法对冷却塔进行地震反应分析，得到了冷却塔在两种情况下节点最大水平位移、绝对加速度随X支柱、塔筒高度变化的规律；并对两种情况下的地震响应结果进行了对比分析，结果表明，该类构筑物在地震作用下，相互作用的影响不容忽略。

Abstract： It's regarding the super large cooling tower of thermal power plant as the research example， and building two finite element models in rigid ground and subsoil-foundation-superstructure interaction situation. Seismic motion record is selected for inputs. Earthquake response analysis for cooling tower bay using time history analysis. The change law of two finite element models of cooling tower was obtained， that the maximal and horizontal displacement and absolute acceleration of nodes along the height of X pillar and tower drum. Comparative analysis has been made for the earthquake response of two models ， indicating that the influence of interaction does not allow to neglect for this kind of structures under the seismic effect.

關键词：刚性地基；相互作用；时程分析；地震反应分析

Key words： rigid-foundation；interaction；time history analysis；seismic response analysis

中图分类号：O346 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）28-0144-03

0 引言

冷却塔是大多数火力发电厂的重要组成部分，因而是生命线工程的重要结点之一。随着社会生产力的发展，火力发电厂的建设规模不断增大，高度高、直径大的冷却塔[1～2]在地震时的安全性要求越来越高，对冷却塔的抗震性能及地震反应开展研究有着必要和现实的意义。在传统的抗震设计中，地震反应分析多采用刚性地基假定，计算模型仅考虑上部结构，地震动输入采用自由场的地表地震动。当基础刚度很大而上部结构刚度很小时，刚性地基假定是合理的，当上部结构刚度与基础刚度比较接近时，刚性地基假定[3～4]对上部结构的反应将产生较大的误差。超大型冷却塔重量巨大，体量庞大，若建造在软土或深厚土层地基之上，再沿用刚性地基假定进行抗震设计，而忽略相互作用的影响，就会和实际情况有较大的出入。为了实际地反映地震反应，文章结合某实际工程，对冷却塔在刚性地基和考虑相互作用两种情况下进行地震反应分析研究，并在计算分析的基础上总结了冷却塔的地震反应规律。

1 计算理论

2 地震动输入及边界条件

文章根据工程场地特性，选用EL-Cenero波和Taft波，根据本工程50年超越概率10%的地面地震动峰值加速度为0.181g，将地震波的峰值调至1.77561m/s2。对于刚性地基假定下的冷却塔，在进行时程分析时，将基础底端固定，直接输入与地面自由场相应的水平地震加速度记录。对考虑相互作用的冷却塔，下部采用无质量地基模型[6～7]，将下部地基土四周及底端全部固定，输入与地面自由场相应的水平地震加速度记录。所选用地震波的加速度

时程曲线如图1所示。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

文章以某火力发电厂的冷却塔为研究背景，进行该工程的地震反应分析研究。冷却塔进风口高度28.4m，其进风口标高水平塔内面积12000m2，塔高170.0m。喉部半径41m，最小壁厚0.25m，最大壁厚1.70m，塔筒标高27.5-170.0m，冷却塔X型支柱对数取41对，支柱矩形断面尺寸取0.9m×1.50m，标高-0.6-27.5m，冷却塔筒壁母线为两段双曲线与一直线段组成。

3.2 计算模型

文章采用有限元软件ANSYS建立了冷却塔在刚性地基和考虑相互作用情况下的三维有限元模型，冷却塔桩土共同作用部分采用含群桩的桩土复合体模型[8～10]，其中纯土体看作各向同性体，桩土复合体看作横观各向同性体。刚性地基有限元模型和相互作用有限元模型如图2所示。

3.3 时程分析计算结果

采用ANSYS软件对冷却塔进行地震反应分析，表1、2分别给出了两种模型下塔筒、X支柱X轴线节点水平最大位移，其中X、Y轴线位置如图3所示。

3.3.1 刚性地基模型计算结果

表1给出了刚性地基模型塔筒、X支柱X轴线节点水平最大位移的计算结果。从表1中可以看出X轴线节点，无论是EL-Centro波作用，还是Taft波作用，最大水平位移的变化趋势是X支柱的水平最大位移沿高度逐渐增大，塔筒的水平最大位移沿高度逐渐减小。由于冷却塔塔筒整体性较好，质量、刚度比较大，而X支柱为斜支柱，质量、刚度相对于塔筒较小，因此，变形主要集中在斜支柱上，且位移沿高度递增；从变形上来看，X支柱为斜支柱，使得塔筒在变形上有着与支柱位移相反方向整体倾倒的现象，这个现象实质上就说明了塔筒位移沿高度是递减的。

冷却塔为对称结构，经计算，Y轴线节点的计算结果也符合上述规律，结果不再给出。

3.3.2 相互作用模型计算结果

表2给出了相互作用模型塔筒、X支柱X轴线节点水平最大位移的计算结果。从表2可以看出，X轴线节点，无论是EL-Centro波作用，还是Taft波作用，最大水平位移的变化趋势是X支柱的水平最大位移沿高度逐渐增大，塔筒的水平最大位移沿高度逐渐增大。这是由于考虑相互作用后，基础可以产生转动，使得塔筒和支柱在变形上保持一致，两者发生相同方向的整体倾倒现象，且水平最大位移都沿着高度逐渐增大。

3.3.3 两种模型对比分析

表3给出了两种模型X轴线节点最大位移的数据对比。

從表3可以看出，节点最大位移值在考虑相互作用之后都比刚性地基假定下的结果有所增大，产生这样结果的原因主要是因为在考虑地基—基础—上部结构相互作用后，上部结构的位移是由基础的转动和平移所产生的位移与结构本身的位移所组成。基础的平移和一定的摇摆分量使得结构在考虑相互作用后，不同高度的节点的最大位移值都会有所放大。

图4给出了地震波作用下两种模型X轴线节点最大位移对比图，从图中看到在两种波分别作用下，相互作用模型节点最大位移比刚性地基模型节点最大位移的增大幅度的变化趋势，即位移增大幅度沿支柱高度降低，沿塔筒高度升高。

4 结论

文章以火力发电厂的冷却塔为研究背景，基于ANSYS建立了刚性地基和考虑相互作用两种情况下的三维有限元模型，分别进行不同地震动作用下的地震反应分析。对动力反应的结果进行了对比分析，探讨了考虑相互作用后的影响。通过计算分析得出以下结论。

①冷却塔在刚性地基情况下，节点最大水平位移的变化规律是：X支柱的位移沿高度逐渐增大，塔筒的位移沿高度逐渐减小。节点加速度放大系数的变化规律相同。②冷却塔在考虑相互作用情况下，节点最大水平位移的变化规律是：X支柱的位移沿高度逐渐增大，塔筒的位移沿高度逐渐增大。节点加速度放大系数的变化规律相同。③冷却塔在考虑相互作用后，节点最大位移值都比刚性地基情况下的对应结果有所增大。因此，在冷却塔抗震设计中，地基、基础、上部结构相互作用的影响是不容忽视的。

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