张杰
中国轻工业长沙工程有限公司,中国·湖南 长沙 410001
双曲线冷却塔外壳;结构分析;三维模型
中国天津某造纸基地自备电厂,中期规模300MW,配备两座淋水面积为4500m2的逆流式双曲线型自然通风冷却塔。
本冷却塔顶高106.6m,进风口标高6.700m。筒体采用基本等厚混凝土壳体,下部设置40 对圆截面人字柱支撑壳体。基础为预应力管桩基础,周圈为环基承台。人字柱下端通过截面刚度较大的支墩与环基承台连接。桩与环基承台连接按抗拔桩设计。冷却塔外壳整体外形如图1所示。
图1 双曲线自然通风冷却塔外壳立面图
工程抗震设防烈度为8 度,设计基本加速度峰值为0.2g,所属设计地震分组为第一组。50年一遇基本风压为0.55kPa,地面粗糙度为B 类。
本工程冷却塔外壳采用有限元软件MIDAS GEN 进行结构分析,选择合适的截面及配筋,使其满足承载能力极限状态及正常使用极限状态各项指标的要求[1]。
工程所在地地貌类型属冲积平原,地基土主要为粉质粘土,地基承载力偏低。考虑到高耸结构对地基变形要求高,且此构筑物对不均匀沉降较为敏感。结合当地施工及采购条件,本工程考虑采用预应力管桩基础。承台采用周圈整体环板承台。环板承台中面直径80.72m,截面4.4mx1.6m,midas模型中以板单元模拟环板承台。
以桩所在位置节点弹性支承模拟预应力管桩的作用。依据《动力机器基础设计规范》GB50040-96,第3.3 节,计算出桩的水平及竖向弹性支承刚度分别为:
单塔环基下设377 根φ400 预应力管桩,计算输出最不利工况下单桩所受最大竖向力标准值为2.9kN(拔力),639.6kN(压力),水平力标准值为69.4 kN。满足单桩竖向及水平承载力要求。由此可见,桩以水平承载力控制。
以节点弹性支承的边界条件模拟预应力管桩的作用,能较为真实反映桩对上部结构的作用[2]。
图2 人字柱、支墩与环基承台断面示意
图2为支墩及人字柱。支墩采用椭圆锥台,截面刚度较人字柱大很多。在midas 整体模型中,以刚性连接将人字柱的下端和环基承台相应节点连接,以此模拟支墩。对于支墩自身的计算:读出人字柱下端弯矩、剪力、轴力,再另行验算。本工程通过验算,支墩为构造配筋即可。
采用放大的单独柱墩,即两个人字柱底部相交处以柱墩连接环板基础,有以下两点优势。
(1)柱墩刚度较大,且从上往下呈扩散趋势,在与环板基础连接处截面积最大。这样能将上部壳体由人字柱传来的较大内力扩散至环板,避免了环板局部应力集中。
(2)单独柱墩,而不采用环形整体厚壁,避免了环形整体厚壁产生的较大的环向温度应力,使结构趋于经济合理。
人字柱采用φ550 圆柱截面,周圈共40 对,预制柱。
冷却塔人字柱通常有圆形截面和方形截面。通常认为人字柱的圆形截面,风阻系数较小,传力更为合理,但圆形柱定位对施工要求较高。本工程由专业的冷却塔施工队伍施工,施工器械及精度能达到设计要求,故优先选用圆柱截面。
在midas 模型中,定义人字柱为梁单元。通过计算分析可知,人字柱受力为轴向拉力控制。最大的轴向压力及弯矩、剪力都不起控制作用[3]。
通风筒采用基本等厚混凝土壳体,最小厚度0.17m,最大厚度0.60m。塔顶壳体中面半径23.975m;喉部标高81.805m,喉部壳体中面半径22.680m;进风口标高6.700m,进风口壳体中面半径37.240m。
冷却塔外壳是很薄的壳体结构,其稳定性是冷却塔设计时必须关注的重点。依据《工业循环水冷却设计规范》(GB/T50102-2003),2.6.14 条,双曲线冷却塔塔筒的弹性稳定验算按以下要求进行。
(1)整体弹性稳定验算
式中 KB——弹性稳定安全系数;
qcr——塔筒屈曲临界压力值,kPa;
q——塔顶设计风压值,kPa;
C——经验系数。其值为0.052;
E——混凝土弹性模量,kPa;
r0——塔筒喉部半径,m;
h——塔筒喉部处壁厚,m。
将此塔各项参数代入上式,KB值为18.1,大于5,符合整体稳定要求。
(2)局部弹性稳定验算:
0.8 KB(σ1 / σcr1 +σ2 / σcr2) + 0.2(KB)2[(σ1 / σcr1)2+(σ2 / σcr2)2] =1
应满足KB≥5。
式中 KB——弹性稳定安全系数;
σ1,σ2——由P+W+Wsog组合产生的环向、子午向压力,其中Wsog 为内吸力引起的压力,kPa;
σcr1,σcr2——环向,子午向的临界压力,kPa;
由midas 程序计算壳体各点子午向及环向压应力,代入上式,可得到任一点的弹性安全系数KB。规范要求各点的KB不小于5,本工程经计算知最小值为7.186。
由此可知,以上筒壁的外形及壁厚是安全可行的。同时,局部安全系数最
小值出现在最小壁厚0.170m 的最下面一节,设计时考虑适当加强。并且保证开洞避开此节。
由于本工程地处抗震设防烈度为8 度区,冷却塔壳体设计时考虑不与淋水构架发生搭接关系。避免地震作用下淋水构架对壳体的撞击破坏作用。同时也使得外壳受力更简单直接,避免复杂应力的出现。
本工程所在地,基本风压0.55kPa,抗震设防烈度为8 度。冷却塔结构对风荷载敏感,而地震烈度8 度也不可小觑。通过对midas 模型输入两种荷载,比较两种荷载对结构的作用[4]。
本工程模型中风荷载输入按《工业循环水冷却设计规范》 (GB/T50102-2003)之2.6.3 条:
式中ω (Z,θ)——作用在塔表面上的等效设计风荷载,kPa;
ω0——基本风压,kPa;
Cp(θ)——平均风压分布系数;
β——风振系数;
μz——风压高度变化系数。
由上述公式可计算出每个高度风压沿塔筒表面分布的情况,如图3所示。
图3 壳体水平截面风压分布示意(右风)
由图3知,最大风压出现在与风向成70 度角位置,且为负压。通过midas 对模型的计算分析,可知在风荷载作用下:
桩顶最大竖向力250.0 kN;最大水平力59.5 kN;总水平力3546.5 kN
壳体上部最大水平位移53.4mm。
按振型分解反应谱法计算水平地震作用,用于计算的地震参数如下:
分组=1,烈度=8(0.20g),场地=III,多遇地震,Tg=0.45s,阻尼=0.05
由midas 模型分析结果如下:
桩顶最大竖向力96.9 kN;最大水平力53.5 kN;总水平力21577.0 kN
壳体上部最大水平位移10.9 mm。
以上结果,地震作用下结构总水平力明显大于风荷载作用。对于桩顶竖向力,风荷载作用则大于地震荷载作用。同时,由壳体位移值结合midas 模型变形模态知,风荷载作用下壳体以相对变形为主,而地震作用下壳体以整体平动为主。
因此,也不能整体判断荷载组合时考虑以何种荷载为主。也就是说,整体而言,风荷载和地震荷载不存在哪种荷载可以忽略[5]。
Midas 模型中以节点弹性支承的边界条件模拟预应力管桩的作用,能较为真实反映桩对上部结构的作用。同时也使模型较为简洁,提高计算效率。本工程自然通风冷却塔外壳,基础以水平力控制为主。人字柱以拉力控制。自然通风冷却塔外壳,风荷载与地震荷载不能整体判断以何种荷载为主。对于双曲线壳体,风荷载作用下以相对变形为主,而地震作用下以整体平动为主。