子午線型對冷卻塔結構特性和抗風性能的影響機理

《子午線型對冷卻塔結構特性和抗風性能的影響機理》是依託鄭州大學，由張軍鋒擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：子午線型對冷卻塔結構特性和抗風性能的影響機理
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張軍鋒
• 依託單位：鄭州大學

項目摘要

雙曲冷卻塔的子午線型對結構特性和抗風性能存在顯著影響，不合理的子午線型也被認為是渡橋電廠風毀事故的原因之一。線型對結構特性和抗風性能的影響形式已有零星發現，但並不系統全面，對影響機理還沒有明確認識，阻礙了冷卻塔線型設計和最佳化工作的開展，亦不利於我國當前高漲的建設實踐。本項目擬通過數值計算，對比分析子午線型參數對結構特性的具體影響形式和關鍵影響因素，包括其力學行為模式、動力特性、穩定性以及整體和局部剛度特徵等；藉助板殼結構力學理論分析，明確線型參數對結構特性的影響機理。以此為基礎上升到冷卻塔抗風性能的兩個關鍵問題，風振回響和極限承載能力：經剛體和氣彈模型風洞試驗和風致動力回響分析，考慮線型和動力參數，揭示子午線型對風振回響的影響規律；通過數值仿真模擬，分析子午線型對風荷載極限承載能力和破壞模式的影響；並將兩者結合展開針對在役非完善結構的風振回響研究。最終結合實際設計過程探究線型最佳化策略。

結題摘要

在前期工作的基礎上，首先以一座代表性冷卻塔為例，通過線型方程的參數調整獲得五組線型，獨立分析塔筒上下緣直線段、喉部以上線型、下緣傾角、喉部高度和整體半徑對結構在多種荷載下受力性能的影響，並通過結構設計評價各參數對塔筒材料用量的影響。另外，上述參數對結構基頻和穩定性的影響也進行了分析，並結合結構振型解釋了線型對基頻的影響機理。通過上述研究揭示了子午線型尤其是線型斜率/曲率對結構特性的影響機理，提出了以塔筒配筋量為指標的子午線型最佳化方法並對子午線型的構造方法提出了一定要求。同時，為便於將配筋量作為最佳化目標，還根據冷卻塔的受力特性提出了一種簡化且可靠的配筋計算方法，從而可以在結構配筋計算時避免繁複的多風向組合。在動力範疇，在風洞試驗的基礎上對冷卻塔的風振效應也進行了系統研究，詳細分析了各回響的環向和子午向分布特徵以及各回響背景和共振分量在總脈動回響中的權重，並綜合各回響的時程特徵、塔筒結構特性及配筋設計原則，將塔筒各回響的陣風回響因子從環向和子午向的二維分布簡化為分別針對環向和子午向配筋設計的兩個獨立數值並作為結構設計的風振係數。在此過程中，還提出了在回響時程中準確分離背景和共振分量的方法並進行了驗證。另外，對結構風振回響的各個影響因素如結構基頻、阻尼、風速、子午向相關性等進行了全面分析，明確了各自對對共振效應的影響規律並給出了擬合表達式。結果表明，在基頻大於0.7Hz時，結構的共振效應並不明顯，而在整體雙曲線型控制下，子午線型變化對結構基頻的影響較為有限，故而線型對結構風振效應的影響亦非常有限。在極限承載力方面，已經建立了考慮塔筒鋼筋混凝土材料非線性的有限元計算模型並得到了初步的結果，塔筒在破壞前的非線性效應極弱，而一旦局部混凝土開裂後，結構剛度急劇下降且位移急劇增加，從而造成計算終止，但此時鋼筋仍未屈服。受時間所限，後續仍將繼續展開極限承載力方面的研究。