超大型冷却塔随机风振响应分析

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1、第45卷第6期西安建筑科技大学学报(自然科学版)Vo1．45No．62013年12月J．XianUniv．ofArch．&Tech．(NaturalScienceEdition)Dec．2O13超大型冷却塔随机风振响应分析朱佳宁，徐亚洲，李旭(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055)摘要：针对某超大冷却塔(250m高)，通过虚拟激励法对钢筋混凝土双曲冷却塔在风载作用下的随机动力响应进行了分析，获得了风振响应的分布规律，并计算了位移风振系数．分析表明冷却塔前100阶振型频率集中在0．5～2．5Hz，均以环向谐波振动的模态形式出现．低阶振型的模态响应对结

2、构位移风振响应的贡献最大；平均位移在喉部附近O。迎风角位置达到最大值．超大型冷却塔的位移风振系数在塔中间部分较小，底部和顶部较大．关键词：冷却塔；虚拟激励法；风振系数中图分类号：Tu347文献标志码：A文章编号：1006—7930(2013)06—0808—05冷却塔在大型火力发电厂与核电站中使用十分广泛．大型冷却塔作为一种空间薄壳的高耸结构，其主体结构由旋转壳体、支柱和环梁三大部分组成，通常情况下100m高的冷却塔壳体最小厚度仅十几厘米．随着高度增加，结构质量轻、柔性大、阻尼小、自振频率低等特点，使风荷载成为控制该类薄壳旋转结构设计的主要荷载．1965年11月

3、1日，英国渡桥(Ferrybridge)电厂冷却塔群(共8座)在时速137km的大风中5座塔严重受损，3座塔倒塌．该事故使得设计人员对脉动风和塔群之间相互干扰效应有了更为深刻的认识．现行的规范口中只针对高度小于165m的冷却塔提出了规定，对高于165m的冷却塔风荷载参数则没有提及．因此，针对这类超限冷却塔的抗风设计值得特别关注．本文考虑风荷载随机性，采用虚拟激励法对超限冷却塔结构的风振响应展开分析．1冷却塔动力性能分析1．2有限元建模本文研究的双曲冷却塔结构_3高250m，喉部直径113m，下部采用60对X型柱支撑．冷却塔主体采用C4O钢筋混凝土结构，混凝土弹性

4、模量为3．25×10N／ram，泊松比取0．2．结合有限元技术_4]，冷却塔结构上部塔身壳体选用shelll63壳体单元(四节点六自由度)，底部X形钢筋混凝土柱选用beam188梁单元(两节点六自由度)，底部均用固定支座约束，建立AN—SYS有限元整体模型如图1所示．1．2模态分析图1冷却塔有限元分析模型采用ANSYS软件对超大型冷却塔结构整体模型进行了模Fig．1FEMmodalofcoolingtower态分析，冷却塔前4阶振型如图2所示，图3给出了冷却塔前i00阶振型频率的分布曲线。从图2～3可以发现：(1)冷却塔结构前100阶主要集中在0．5～2．5Hz

5、，自振频率十分密集；(2)最小几阶频率主要集中在环向谐波个数为3～5个，与张相庭嗍所述相符；(3)在低阶振型中，多以刚度较弱的塔顶振动为主．收稿日期：2013-03—04修改稿日期：2013一iI-15基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20126120120011)；西安市科技计划项目(CX12187⑥)作者简介：朱佳宁(1975一)，男，山东济宁人，博士，讲师，主要从事工程结构抗震、组合结构研究．81O西安建筑科技大学学报(自然科学版)第45卷情况如图6所示．其中塔底(3Om)处的平均位移分布形状与冷却塔的体型系数沿圆周方向的分布曲线恰好方向相

6、反，平均位移在0。附近达到最大值，位移方向指向冷却塔轴心；正向位移在72。附近最大；喉部(190m)处的位移在O。和75。之间的趋势与塔底相同．3冷却塔响应谱计算根据虚拟激励法【6，冷却塔喉部(190m)处不同圆周角处的径向位移响应功率谱密度曲线如图7～9．—【)一30m--~250^—．晏∽．

7、．／／＼＼图6冷却塔在30m、190m和2501TI图7冷却塔喉部(190m)圆周角0。处径向位移响应平均值处径向位移响应功率谱Fig．6RadialdisplacementresponseFig．7Radialdisplacementresponsepoweraver

8、agevalueat30m、190mand250mspectrumofcircumferentialangleO。at190m从图7～9中可以看出，结构的背景响应与共振响应在频谱上明显分离．虽然冷却塔迎风面的谱值较侧风面大，但迎风面和侧风面的位移响应功率谱形状比较接近．冷却塔结构振型十分密集，响应共振区的能量主要集中在O～1．2Hz，峰值位于0．74Hz处，与第9～12阶模态频率很接近，对总响应贡献很大；而背风面的共振响应区域比前两者要大，峰值的频率位于0．57Hz和0．8Hz处．三者的共同特点就是小于1．2Hz的低频区域响应占总响应的主要部分，而大于1．2Hz

9、的高频区域部分响应接近于