基于能力谱方法的超大型冷却塔抗震性能研究北大核心

基于Open Sees平台,以某电厂超大型冷却塔为背景,建立结构空间有限元分析模型,分别按只考虑倾覆振型与考虑多阶振型组合,进行了基于能力谱方法的冷却塔地震响应分析,结果表明只考虑倾覆振型的能力谱分析对于冷却塔结构具有较好的精度。进一步对超大型冷却塔在高强度地震作用下的性能演化研究表明塔壳部分计算一般可保持弹性,结构的非线性响应主要发生在支柱上,控制结构的损伤发展、最大承载力以及破坏形态。     

竖向地震作用对超大型冷却塔结构的影响分析

采用ABAQUS有限元分析软件,分别对不考虑和考虑土-结构相互作用的超大型冷却塔结构进行了弹性和弹塑性时程分析,研究了竖向地震作用对超大型冷却塔结构的影响以及考虑土-结构相互作用后竖向地震作用影响的差异。结果表明: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,对支柱轴力有一定影响,对结构水平向的地震响应影响相对较小;考虑土-结构相互作用后,竖向地震作用对支柱的竖向加速度、支柱内力以及塔壳喉部的主应力影响略有增大。     

基于能力谱方法的超大型冷却塔抗震性能研究

基于Open Sees平台,以某电厂超大型冷却塔为背景,建立结构空间有限元分析模型,分别按只考虑倾覆振型与考虑多阶振型组合,进行了基于能力谱方法的冷却塔地震响应分析,结果表明只考虑倾覆振型的能力谱分析对于冷却塔结构具有较好的精度。进一步对超大型冷却塔在高强度地震作用下的性能演化研究表明塔壳部分计算一般可保持弹性,结构的非线性响应主要发生在支柱上,控制结构的损伤发展、最大承载力以及破坏形态。     

采用不同支柱形式的超大型冷却塔动力弹塑性对比分析

针对超大型冷却塔结构在地震作用下的受力特点,以某电厂拟建冷却塔工程为背景,采用ABAQUS软件对超大型冷却塔结构进行动力弹塑性时程分析,对比了采用钢筋混凝土交叉柱和采用钢管混凝土交叉柱两种结构方案的地震响应。结果表明,采用钢管混凝土柱能有效降低交叉柱损伤,减小结构侧向位移,但塔壳损伤会增大。下环梁与钢管混凝土交叉柱的相交节点作法,尚需进一步研究。     

风荷载作用下超大型自然通风冷却塔的受力性能

以某超大型冷却塔为例,结合风荷载的理论知识,采用通用有限元程序ANSYS,计算分析了冷却塔在自重、风荷载作用下的内力、变形及其稳定性,并通过与地震荷载的计算结果的对比,证明了风荷载对冷却塔结构受力的重要意义。     

超大型双曲线冷却塔振动台试验研究

为了研究超大型双曲线冷却塔的抗震性能,以1/35缩尺加工微粒混凝土全塔试验模型,进行振动台试验研究,介绍了模型在不同地震动作用下的位移反应以及斜支柱等的破坏情况。基于SAP2000进行了试验模型的弹塑性数值分析,并结合试验结果对冷却塔结构在地震作用下的致灾机理进行了研究。结果表明:双曲线冷却塔模型地震作用下壳体部分呈现整体运动的特征,一字斜支柱柱底是结构的首要薄弱部位,地震波频谱特性对其地震响应影响较大,应尽量避免在软弱场地下建造大型冷却塔。     

地基阻尼比对大型双曲线冷却塔地震作用效应的影响

本文采用通用有限元软件ANSYS,分析了地基与冷却塔的相互作用效应（SSI效应）对大型冷却塔动力特性的影响。在此基础上,进一步分析了地基阻尼比对冷却塔结构地震作用效应的影响。然后,对超大型冷却塔的结构设计提出了一些关注点。有关成果可为类似工程提供一些参考。     

超大型冷却塔多竖井分区配水系统的优化设计

随着超大型自然通风冷却塔淋水面积的增加,淋水填料的均匀配风、配水出现困难,传质、传热效率下降。基于大型树状管网节点水压法对超大型冷却塔的管渠配水系统进行计算,通过获取每个喷淋节点的实际配水压力和流量,评价配水管网设计的合理性,并根据超大型冷却塔的配水要求,对管网进行局部调整。对比结果证明,设计模型的优化效果明显,可较便捷地为工程设计提供各典型工况的配水方案,并可为冷却塔的热质传递数值仿真提供更精确的配水数据。     

考虑百叶窗透风率超大型冷却塔内吸力风振系数研究

为研究不同百叶窗透风率下超大型冷却塔内吸力风振系数的分布特性和取值,以国内某在建210m高超大型冷却塔为工程背景,首先通过同步刚体测压风洞试验,得到了不同透风率（0%、15%、30%及100%）下冷却塔结构内表面平均与脉动风荷载。在此基础上,对比分析不同透风率平均和脉动风压分布特性,并采用有限元方法建立了塔筒-支柱-环基一体化仿真分析模型,对该超大型冷却塔进行四种内吸力作用工况下完全瞬态时域动力计算。对比了四种透风率下内吸力风振系数的一维、二维和三维分布特征,分析了以塔筒径向位移、子午向轴力、von Mises应力和环向弯矩四种典型目标响应下的风振系数取值标准,分别给出了此类超大型冷却塔不同透风率下内吸力风振系数的取值建议,即0%、15%、30%及100%透风率下内吸力风振系数分别取为1.69、1.79、1.69和1.57。     

考虑百叶窗透风率超大型冷却塔内吸力风振系数研究

为研究不同百叶窗透风率下超大型冷却塔内吸力风振系数的分布特性和取值,以国内某在建210m高超大型冷却塔为工程背景,首先通过同步刚体测压风洞试验,得到了不同透风率(0%、15%、30%及100%)下冷却塔结构内表面平均与脉动风荷载。在此基础上,对比分析不同透风率平均和脉动风压分布特性,并采用有限元方法建立了塔筒-支柱-环基一体化仿真分析模型,对该超大型冷却塔进行四种内吸力作用工况下完全瞬态时域动力计算。对比了四种透风率下内吸力风振系数的一维、二维和三维分布特征,分析了以塔筒径向位移、子午向轴力、von Mises应力和环向弯矩四种典型目标响应下的风振系数取值标准,分别给出了此类超大型冷却塔不同透风率下内吸力风振系数的取值建议,即0%、15%、30%及100%透风率下内吸力风振系数分别取为1.69、1.79、1.69和1.57。     

超大型冷却塔稳定性分析

目前,没有一种计算方法可以妥善解决壳体结构的稳定计算问题。对冷却塔稳定性分析常用的几种方法及其理论进行了介绍,并以某超大型冷却塔为例,采用ANSYS软件,对其稳定性进行验算与分析,得到该超大型冷却塔稳定性分布规律,提出冷却塔壳体厚度取值的建议。     

大型冷却塔结构抗风研究综述与展望

大型冷却塔是典型的风敏感结构,其抗风安全性直接关系到国家电力系统运行的可靠性。本文介绍了国内外大型冷却塔的建设现状,综述了大型冷却塔风洞试验、表面风荷载、风振响应、等效静力风荷载和风致振动控制等几个方面的研究进展;在此基础上并结合国外主要冷却塔设计规范指出我国大型冷却塔抗风设计相关规范条款的不足,建议需要进一步研究的若干新问题。从而可为在建或拟建的火(核)电超大型冷却塔工程提供一定的理论基础和设计指导,同时为超大型冷却塔的风致振动控制设计与实现提供重要的参考。     

基于分层壳单元模型超大型冷却塔风致倒塌机制与失效准则

历史上超大型冷却塔风毁事件多次发生,国内外现行规范中缺乏超大型冷却塔风致倒塌机制与失效判别准则。以我国西北地区某在建高228 m的冷却塔为背景,建立分层壳单元模型,考虑塔筒的多尺度壁厚及配筋率变化,通过刚体测压风洞试验获取了冷却塔表面风荷载,结合增量动力分析法分析了典型风速下塔筒位移和内力响应,确定临界倒塌风速为83 m/s;基于节点失效前后von Mises应力变化规律提炼了冷却塔倒塌过程中3种内力重分布机制,结合塔筒喉部位移构建了结构变形失效准则。研究表明：采用分层壳单元模型可以有效模拟超大型冷却塔倒塌全过程,中心破坏区域扩散形成裂隙网,直至完全倒塌破坏;塔筒首个单元失效首先引发滑动面机制,随后以转动铰机制和滑移面机制为主进行内力重分布;当结构变形失效指标(喉部迎风面与背风面的相对水平位移与喉部直径之比)不小于1.5%时,超大型冷却塔失效倒塌。     

Collapse mechanism and failure criteria based on layered shell element model for super-large cooling tower under wind action

历史上超大型冷却塔风毁事件多次发生，国内外现行规范中缺乏超大型冷却塔风致倒塌机制与失效判别准则。以我国西北地区某在建高228 m的冷却塔为背景，建立分层壳单元模型，考虑塔筒的多尺度壁厚及配筋率变化，通过刚体测压风洞试验获取了冷却塔表面风荷载，结合增量动力分析法分析了典型风速下塔筒位移和内力响应，确定临界倒塌风速为83 m/s；基于节点失效前后von Mises应力变化规律提炼了冷却塔倒塌过程中3种内力重分布机制，结合塔筒喉部位移构建了结构变形失效准则。研究表明：采用分层壳单元模型可以有效模拟超大型冷却塔倒塌全过程，中心破坏区域扩散形成裂隙网，直至完全倒塌破坏；塔筒首个单元失效首先引发滑动面机制，随后以转动铰机制和滑移面机制为主进行内力重分布；当结构变形失效指标(喉部迎风面与背风面的相对水平位移与喉部直径之比)不小于1.5%时，超大型冷却塔失效倒塌。     

超大型冷却塔的地震反应分析

采用ABAQUS和ANSYS两种软件对某超大型冷却塔进行了有限元对比分析,两种软件计算结果吻合良好;采用ABAQUS对其进行了弹塑性时程分析,发现冷却塔的主要变形集中在支柱,支柱及其与塔筒底相连部位是整个结构的薄弱部位。     

某大型双曲冷却塔风荷载作用效应有限元计算

运用三维有限元方法,对某超大型双曲冷却塔进行了模态和风荷载作用效应计算,分析了冷却塔的动力特性,计算了结构在风荷载作用下的应力和变形情况,研究结果可为类似工程提供参考。     

大型直筒-锥段型钢结构冷却塔地震反应与风致稳定性分析

直筒-锥段型钢结构冷却塔自重较轻、塔型相对规则,正逐步成为火电行业大型冷却塔建设的新方向,而该结构大跨度大空间特点导致的强震下响应与风致整体稳定性,是钢塔结构设计的挑战。使用有限元软件SAP2000建立钢冷却塔模型,进行恒荷载、风载和地震作用下的计算,分析塔筒的受力情况和内力分布规律;以一阶线性屈曲模态作为钢塔初始缺陷状态,以H/300(H为塔高)作为初始缺陷大小,基于双重非线性分析,探究此类钢结构冷却塔真实工况下的风致非线性屈曲规律。结果表明:在多向地震作用下,钢冷却塔的位移符合《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)要求,锥段和直筒段主要分别发生弯曲变形和剪切变形,整个塔体的变形性能满足我国抗震设防要求;考虑双重非线性下钢结构冷却塔临界屈曲承载力下降,直筒段设置的加强环有力保证了结构刚度。为类似大跨度钢塔抗震性能及稳定性能评估提供一定参考。     

基于结构可靠性的双曲线冷却塔施工期风荷载取值及应用

针对施工期间的钢筋混凝土双曲线冷却塔塔筒结构,采用"结构可靠度的时段分析方法",以"结构在施工期内的可靠度=设计基准期内的可靠度"为前提,求出塔筒施工期风荷载的标准值,并将其用于实际工程。该成果可为冷却塔(特别是超大型冷却塔)塔筒结构的施工期验算提供依据,对规范作出相应的补充。     

地震作用对小型双曲线冷却塔的影响分析

通过有限元数值模拟的方式分析了小型双曲线冷却塔的地震反应,并通过反应谱方法比较了同类型冷却塔在不同场地条件下的地震响应.将冷却塔划分为壳体筒壁、杆件支柱和环形基础三部分,在基础底部施加水平和竖向地震谱曲线用以模拟地震反应.数值结果表明,场地类型对冷却塔的受力影响较大,且在冷却塔简体的底部出现了最大的应力和变形.冷却塔结构偏移位移随塔高自底向上先减小后增大,塔体喉部位置是位移偏移量的转折点.因此,应在软土地区加强冷却塔简体与支柱的接头和咽喉位置的抗震措施,避免出现应力集中导致塔体局部压坏.本文研究结果对于不同地区的小型冷却塔的安全性评价和抗震加固有一定的参考价值.     

冷却塔结构非线性稳定性分析

针对核电超大型冷却塔,对有初始几何缺陷的冷却塔风筒壁的应力、内力、位移、承载力以及稳定性等进行了一系列研究。