【项目名称】超大型冷却塔结构抗风关键技术及应用

基于风洞试验的四塔布置超大型冷却塔风致综合受力与稳定性能

基于风洞试验的四塔布置超大型冷却塔风致综合受力与稳定性能王浩;柯世堂【摘要】以串列、矩形、菱形、L形和斜L形5种四塔组合方案为例,基于刚体测压风洞试验获得了不同四塔布置形式下冷却塔群表面风荷载分布模式.建立了塔筒-支柱-环基的一体化有限元模型,探讨了不同来流风向角下四塔布置形式和相对位置对风致响应的影响规律.验算了塔筒局部稳定性和整体屈曲稳定性,对比分析了四塔塔群的极限承载能力.结果表明:四塔布置形式对冷却塔位移响应、简体环向弯矩和支柱扭矩影响较大,基于响应的四塔布置形式优选方案中串列布置形式性能最优,菱形、斜L形、矩形和L形次之;串列和斜L形布置形式在稳定性能方面较其余四塔布置形式更优,而L形、菱形和矩形布置形式的临界风速分别为串列布置形式的65％,70％和60％.【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(048)002【总页数】7页(P330-336)【关键词】四塔组合;超大型冷却塔;风洞试验;风致响应;稳定性能【作者】王浩;柯世堂【作者单位】南京航空航天大学土木工程系,南京210016;南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,南京210016【正文语种】中文【中图分类】TU279.741塔群干扰是影响冷却塔抗风安全性能的主要因素之一.近年来,冷却塔日益朝着复杂组合布置趋势发展,其中尤以四塔组合冷却塔群最为常见.1965年英国渡桥电厂双排串列四塔冷却塔群风毁事故调查结果表明,事故的主要诱因有：① 设计时未考虑塔群干扰效应对倒塌冷却塔表面风荷载产生的放大作用；② 塔筒只布置了1层中央钢筋网,未考虑筒体弯矩作用的影响[1].由群塔干扰效应引起的冷却塔受力问题是困扰大型冷却塔抗风设计的主要问题之一,现有冷却塔设计规范[2]尚未给出这方面的参考建议.关于冷却塔群抗风安全性方面的研究大多为关于干扰因子的研究[3-4].然而,大型冷却塔作为兼具大跨和高耸特性的对称混凝土薄壳结构,抗风安全性验算中的相关评价方法和评价指标并不明确.已有研究中基于不同结构响应指标得到的干扰效应并不一致,甚至出现冲突和矛盾.文献[5]通过列举少数几类响应指标尝试性地探讨了基于风致响应得到的干扰效应结果,但某一特定响应指标能否准确代替塔群干扰效应仍值得研究.风工程界的科研人员针对冷却塔群局部和整体屈曲稳定性能[6-7]进行了较为系统的研究,并在考虑非线性效应的基础上探讨了冷却塔强度破坏极限[8].然而,研究者们大多基于单一塔群组合进行,并未得出可直接用于指导四塔布置形式选择和工程设计的规律性成果.鉴于此,本文以在建世界最高220 m的冷却塔为对象,分别对5种(串列、矩形、菱形、L形和斜L形)典型四塔组合方案共320个工况进行了同步测压风洞试验.基于有限元方法对相应工况进行风致响应计算,对比分析了布置形式、风向角和相对位置对冷却塔位移响应、受力性能、局部稳定和屈曲稳定的影响规律.并在考虑大变形几何非线性的基础上,探讨了冷却塔在非对称风荷载作用下的强度破坏极限.最终归纳出可为冷却塔四塔组合方案选取和抗风安全性评估提供参考的研究结论.1 风洞试验1.1 工程背景所选在建冷却塔高度为220 m,喉部高度为165 m,进风口高度为31 m,塔顶中面直径为128 m,喉部中面直径为123 m,冷却塔底部直径为185 m.塔筒采用64对X形支柱支撑,支柱采用矩形截面,截面尺寸为1.7 m×1.0 m.该在建冷却塔位于B类地貌,基本风压为0.5 kPa.风洞试验模型缩尺比为1∶450,采用亚克力材料制作以保证足够的刚度和强度.沿塔筒外表面子午向均匀布置12层风压测点,每一测点层沿环向顺时针均匀布置36个测点,共计432个测点.采用DSM3000电子压力扫描计进行风洞模型表面风压测量,采样频率设置为312.5 Hz.1.2 风场模拟与雷诺数效应模拟试验用风洞是一座闭口回流式矩形截面风洞,主试验段宽5 m,高4.5 m,风速连续可调,最高稳定风速可达30 m/s.试验风场按中国《建筑结构荷载规范》[9]中的B类地貌模拟,风场模拟的主要指标为平均风速剖面、湍流度剖面和顺风向脉动风谱等,模拟效果见图1.图中,n为脉动风频率,Hz；Su(n)为脉动风速功率谱,m2/s；k为地面粗糙度系数；u*为10 m高度处的平均风速,m/s.由图可知,风场模拟效果较好,满足试验要求.(a) 平均风速与湍流度(b) 脉动风谱图1 风洞试验风场模拟结果为进行雷诺数效应修正,风洞试验中共测试了7种粗糙度工况：① 表面光滑；② 粘贴1层36条5 mm宽粗糙纸带；③ 粘贴2层36条5 mm宽粗糙纸带；④ 间隔粘贴2层或3层36条5 mm宽粗糙纸带；⑤ 粘贴3层36条5 mm宽粗糙纸带；⑥ 间隔粘贴3层或4层36条5 mm宽粗糙纸带；⑦ 粘贴4层36条5 mm宽粗糙纸带.图2给出了归一化处理后的冷却塔喉部高度体型系数分布曲线,并与规范[2]中的风压曲线进行对比.由图可见,粘贴4层粗糙纸带可以较好地实现冷却塔雷诺数效应模拟.最终模拟措施如图3所示.图2 风洞试验体型系数与目标曲线对比图图3 雷诺数效应措施图1.3 典型四塔布置形式四塔风洞试验中采用了串列、矩形、菱形、L形和斜L形5种布置形式,每种布置形式在360°风向角范围内以22.5°增量逐一测量,共320个试验工况.冷却塔塔间距均为2D,其中D为塔底直径.为真实反映冷却塔在电厂中受到的干扰效应,参考实际工程布置了多个周边干扰建筑,各工况平面布置及冷却塔位置信息见图4.群塔工况中最大阻塞率为3.22%,满足风洞试验标准[10]的要求.2 风致响应2.1 模型建立与模态分析基于有限元软件ANSYS建立了塔筒-支柱-环基的一体化模型.塔筒采用Shell63单元,其中环向256个单元,子午向128个单元.环基及与环基连接的64对X形柱均采用Beam188单元模拟,支柱与塔筒通过多点约束耦合连接,与环基通过刚性域连接.环基划分为256个单元,环基下部采用采用Combin14单元模拟弹性地基,包括3个力弹簧单元和3个力矩弹簧单元,弹簧单元一端与环基刚性连接,另一端固结约束.该冷却塔自振频率较小,其基频仅为0.542 Hz,前10阶频率均在0.8 Hz以下,结构自振频率低且分布密集.2.2 对比分析表1给出了6种典型内力指标下四塔布置形式对冷却塔受力性能影响程度.由表可知,不同响应指标受塔群干扰效应的影响不完全一致,四塔布置形式对塔筒环向弯矩和支柱扭矩影响较大.以塔筒环向弯矩和支柱扭矩为评价指标,最优的布置形式均为串列布置形式,最不利的布置形式相对串列布置形式增大了50%以上.其余4种内力指标受四塔布置形式影响较弱,矩形和菱形布置形式有利于减少这4类内力指标.(a) 串列布置(b) 矩形布置(c) 菱形布置(d) L形布置(e) 斜L形布置图4 四塔组合工况冷却塔布置示意图表1 5种四塔布置形式对冷却塔典型内力指标影响程度内力指标优先顺序相对最不利布置形式的内力增量幅度/%塔筒子午向轴力菱形、矩形、L形、斜L形、串列0，2．52，4．91，6．99，7．38塔筒环向弯矩串列、斜L形、菱形、L形、矩形0，25．74，25．99，46．15，64．85支柱轴力菱形、矩形、L形、斜L形、串列0，2．11，4．32，5．90，6．67支柱弯矩矩形、菱形、L形、串列、斜L形0，0．74，5．69，7．22，7．79支柱扭矩串列、菱形、矩形、斜L形、L形0，9．89，16．54，27．92，52．46环基弯矩菱形、矩形、串列、L形、斜L形0，0．04，1．79，2．61，3．01统计5种四塔布置形式下冷却塔群在位移和6项受力指标下的响应增量,并求出增量总和,结果见图5.由图可知,四塔布置形式下冷却塔风致响应受塔群相对位置影响显著,以往工程设计中对同一冷却塔群采用统一结构设计标准不尽合理[11].为方便设计参考,表2给出5种典型四塔布置形式下冷却塔群风致响应安全性能的优劣关系.(a) 串列布置形式(b) 矩形布置形式(c) 菱形布置形式(d) L形布置形式(e) 斜L形布置形式图5 不同响应指标下冷却塔风致响应增量图3 稳定性能3.1 局部稳定性图6给出了5种四塔组合在不同风向角下冷却塔局部稳定因子(KB)最小值的分布图.图中,串列布置形式最小KB值以柱状图表示,矩形、菱形、L形和斜L形组合的最小KB值均以相对串列布置形式对应风向角工况的增/减量表示,其值分别为ΔK2,ΔK3,ΔK4和ΔK5.由图可知,四塔布置形式对1#塔的KB值影响较小,2#塔受布置形式影响较大.表2 冷却塔群风致响应安全性能优劣关系序号布置形式优劣顺序1串列2#塔、3#塔、1#塔、4#塔2矩形1#塔、4#塔、3#塔、2#塔3菱形2#塔、1#塔、3#塔、4#塔4L形3#塔、2#塔、4#塔、1#塔5斜L形3#塔、2#塔、1#塔、4#塔值得注意的是,矩形、L形和斜L形布置形式均在2#塔存在KB<4.0的工况.矩形布置形式在3#塔的315°风向角处达到最小KB值3.24.而4#塔受布置形式影响最为明显,图中变化量的离散程度最大,串列和菱形布置形式的最小KB值工况均发生于4#塔.综合可知,串列方案对于提高局部稳定性效果最为明显,斜L形次之,矩形、菱形和L 形方案下冷却塔局部稳定性较串列方案明显不利.(a) 1#塔(b) 2#塔(c) 3#塔(d) 4#塔图6 最小KB值分布图3.2 整体屈曲稳定性图7给出了5种四塔布置形式屈曲稳定最不利工况对应的屈曲模态和最大位移.此外,单塔工况冷却塔第1阶屈曲系数为9.43.在5种四塔布置形式中,菱形和L形方案下冷却塔整体屈曲安全性较差,第1阶屈曲系数相对单塔工况降低了近10%；而串列、矩形和斜L形方案对冷却塔整体屈曲稳定性能较为有利.3.3 强度破坏极限进行强度破坏极限分析时考虑冷却塔的几何大变形效应,由最大位移随风速变化斜率和混凝土压缩极限状态确定临界失稳风速.以10 m高度处10 m/s的初始风速作为设计基本风速,逐级加载,加载步长为2.5～10.0 m/s.当风速增大至筒壁局部区域发生拉伸破坏时,冷却塔局部区域由钢筋承担受拉作用.随着风速进一步增大,当混凝土筒壁受压区接近压缩极限受力状态时,冷却塔静风变形迅速增大,达到冷却塔的极限承载状态.图7 屈曲稳定最不利工况下的屈曲系数与最大位移图8给出了5种四塔布置形式冷却塔临界风速分布和限承载力最不利工况下冷却塔位移及斜率随风速变化曲线.图中,串列布置形式临界风速W1以柱状图表现,矩形、菱形、L形和斜L形组合的临界风速均以相对串列布置形式对应风向角工况的变化量表示,其值分别为ΔW2,ΔW3,ΔW4和ΔW5.分析可知，串列布置形式时4座冷却塔均在90°和270°风向角时达到较大的临界风速,此时冷却塔主要受遮挡效应影响,串列布置形式临界风速最小值发生于4#塔0°风向角工况.矩形布置形式时2#塔在270°风向角达到最不利工况,菱形、L形和斜L形布置形式分别于247.5°,67.5°和292.5°达到极限承载力最小值,此时来流风向对受扰塔均产生明显的不对称峡谷效应.L形、菱形和矩形布置形式的临界失稳风速仅为串列布置形式临界失稳风速的65%,70%和60%.综合风致响应和稳定性各项指标,得到5种典型四塔组合形式冷却塔群最不利工况示意图(见图9),此时冷却塔受不对称的峡谷效应影响.(a) 1#塔(b) 2#塔(c) 3#塔(d) 4#塔图8 临界风速分布图图9 最不利工况示意图4 结论1) 四塔布置形式对塔筒位移响应、塔筒环向弯矩和支柱扭矩影响较大.从风致响应角度综合定性地给出了四塔布置形式优选顺序：串列、菱形、斜L形、矩形、L形.2) 冷却塔风致响应受塔群相对位置关系影响显著,以往工程设计中对同一冷却塔群采用统一结构设计标准不尽合理,且不同指标下四座冷却塔响应极值变化趋势并不完全一致,表现出塔群效应及周边建筑物共同作用的复杂性.3) 串列和斜L形布置形式在局部稳定、整体屈曲稳定和强度破坏极限等方面表现出明显的优势.L形、菱形和矩形布置形式的临界失稳风速仅为串列布置形式临界失稳风速的65%,70%和60%,这3种四塔布置形式在重现期基本风速较大的区域内应谨慎采用.4) 综合风致响应和稳定性各项指标,确定了5种典型四塔布置形式冷却塔群最不利工况.当冷却塔处于不对称的峡谷效应影响时,其综合受力与稳定性能显著降低.参考文献 (References)[1] Swartz S E, Chien C C, Hu K K, et al. Tests on microconcrete model of hyperbolic cooling tower[J]. Experimental Mechanics, 1985, 25(1): 12-23. DOI:10.1007/bf02329121.[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB/T 50102—2014 工业循环水冷却设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2014.[3] Niemann H J, Kopper H D. Influence of adjacent buildings on wind effects on cooling towers[J]. Engineering Structures, 1998, 20(10):874-880.[4] 柯世堂, 王浩, 余玮. 典型四塔组合特大型冷却塔群风荷载干扰效应[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2017, 45(10):1421-1428.DOI:10.11908/j.issn.0253-374x.2017.10.002.Ke Shitang, Wang Hao, Yu Wei. Research on interference effect of windloads for super-large cooling tower under typical four towers combinations[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2017,45(10):1421-1428.DOI:10.11908/j.issn.0253-374x.2017.10.002.(in Chinese) [5] 张军锋, 葛耀君, 赵林. 群塔布置对冷却塔整体风荷载和风致响应的不同干扰效应[J]. 工程力学, 2016, 33(8):15-23,44.DOI:10.6052/j.issn.1000-4750.2015.03.0226.Zhang Junfeng, Ge Yaojun, Zhao Lin. Interference effects on global wind loads and wind induced responses for group hyperboloidal cooling towers[J]. Engineering Mechanics, 2016, 33(8):15-23,44.DOI:10.6052/j.issn.1000-4750.2015.03.0226.(in Chinese)[6] Bamu P C, Zingoni A. Damage, deterioration and the long-term structural performance of cooling-tower shells: A survey of developments over the past 50 years[J]. Engineering Structures, 2005, 27(12): 1794-1800. DOI:10.1016/j.engstruct.2005.04.020.[7] Noh H C. Nonlinear behavior and ultimate load bearing capacity of reinforced concrete natural draught cooling tower shell[J]. Engineering Structures, 2006, 28(3): 399-410. DOI:10.1016/j.engstruct.2005.08.016. [8] Noorzaei J, Naghshineh A, Abdul Kadir M R, et al. Nonlinear interactive analysis of cooling tower-foundation-soil interaction under unsymmetrical wind load[J]. Thin-Walled Structures, 2006, 44(9): 997-1005.DOI:10.1016/j.tws.2006.08.019.[9] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50009—2012建筑结构荷载规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社，2012.[10] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JSJ/T 338—2014.建筑工程风洞试验方法标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014.[11] 王浩, 柯世堂. 考虑山顶地形三维效应某电视塔测力风洞试验[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2017,48(11):2998-3005.DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2017.11.021.Wang Hao, Ke Shitang. Wind tunnel force balance test of a TV tower structure considering three-dimensional effects of mountain topographic[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2017, 48(11):2998-3005.DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2017.11.021.(in Chinese)。

大型公共建筑抗风关键技术研究与工程应用项目公示内容-长沙理工大学

大型公共建筑抗风关键技术研究与工程应用项目公示内容项目名称：大型公共建筑抗风关键技术研究与工程应用；主要完成人：李秋胜，傅学怡，陈伏彬，李宏伟，黄生洪，何运成，卢春玲，闫渤文，阳洋，张明亮，胡尚瑜，义君，舒臻孺，杨鸥；主要完成单位：香港城市大学，湖南大学，宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司，中国科学技术大学，长沙理工大学；申报奖种：科学技术进步奖。

项目简介：结合现场实测、风洞试验、数值计算和理论分析方法，深入系统地研究了大型公共建筑的风效应及相关问题,发展了大跨结构抗风设计的关健技术,研发了多种结构健康监测新设备及新技术,创立了几种大跨建筑结构新体系, 成果已广泛应用于实际工程,产生了重大的经济效益和社会效益。

主要创新1.采用多种监测手段，在东南沿海地区对边界层风场进行了长期的实测，得到了具有重要科学与工程意义的研究结果,建立了多种地貌类别的强/台风边界层风场模型，为结构抗风设计提供了科学依据,填补了国内外空白,已应用于多座大跨度场馆的抗台风设计。

提出了近地风速修正的标准化方法，提高了气象预报及风速统计的准确性。

2.通过多座大跨建筑结构强/台风效应的实测研究，揭示了大跨结构风荷载及风振响应特征，提出了大跨结构抗风设计的阻尼比取值范围，应用于多个实际工程。

3.研发了拥有 14 项专利的结构健康监测新设备及新技术，其性能指标达到了国际先进水平，己国产化生产及广泛应用。

4.在比前人更大的湍流尺度条件下，研究了湍流绕钝体的分离、附着、涡列发生的机理，揭示了钝体表面极值负压产生的机理以及湍流对钝体表面风压的影响,提出的风压概率模型能更准确预测峰值风压，已应用于大跨结构设计。

5.通过大量风洞实验，对大跨结构风致破坏进行了深入研究，揭示了风致内压变化规律及其引起大跨覆盖层破坏的机理,为大跨结构的抗风安全设计提供了科学依据。

提出了大跨结构高精度空间风荷载和风致响应计算及优化设计方法。

成果应用于多项实际工程,取得了重大的经济效益。

大型公共建筑抗风关键技术研究与工程应用项目公示内容-长沙理工大学

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项目简介：结合现场实测、风洞试验、数值计算和理论分析方法，深入系统地研究了大型公共建筑的风效应及相关问题,发展了大跨结构抗风设计的关健技术,研发了多种结构健康监测新设备及新技术,创立了几种大跨建筑结构新体系, 成果已广泛应用于实际工程,产生了重大的经济效益和社会效益。

主要创新1.采用多种监测手段，在东南沿海地区对边界层风场进行了长期的实测，得到了具有重要科学与工程意义的研究结果,建立了多种地貌类别的强/台风边界层风场模型，为结构抗风设计提供了科学依据,填补了国内外空白,已应用于多座大跨度场馆的抗台风设计。

提出了近地风速修正的标准化方法，提高了气象预报及风速统计的准确性。

2.通过多座大跨建筑结构强/台风效应的实测研究，揭示了大跨结构风荷载及风振响应特征，提出了大跨结构抗风设计的阻尼比取值范围，应用于多个实际工程。

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4.在比前人更大的湍流尺度条件下，研究了湍流绕钝体的分离、附着、涡列发生的机理，揭示了钝体表面极值负压产生的机理以及湍流对钝体表面风压的影响,提出的风压概率模型能更准确预测峰值风压，已应用于大跨结构设计。

5.通过大量风洞实验，对大跨结构风致破坏进行了深入研究，揭示了风致内压变化规律及其引起大跨覆盖层破坏的机理,为大跨结构的抗风安全设计提供了科学依据。

提出了大跨结构高精度空间风荷载和风致响应计算及优化设计方法。

成果应用于多项实际工程,取得了重大的经济效益。

超大型双曲冷却塔风荷载作用影响研究

性质，要按随机振动理论进行结构动力分析。不管需
是风荷载中的平均风还是脉动风，可能会对冷却塔都
造成危害，甚至倒塌，因此对冷却塔风荷载影响作用的研究具有重要的实际意义Ｊ。
就越高，形成大压力差的蒸汽就要使汽轮机末级叶要
备使用，其运行性能对电站的安全经济运行有重要的影响。其中自然通风逆流式双曲冷却塔是目前国内火力发电厂中应用最为广泛的一种冷却塔结构形式，其热力性能受周边环境因素影响较大，在结构方面尤其在受到侧向风荷载的作用下使得冷却塔】部＿二通风塔筒受力极不均匀。文章通过采用Ａｎｙ有限元数值模拟分析的方法，ｓｓ采用ｂａｅｍ４和ｓｌ６ｏｉ５两种单元对冷却塔整体结构进ｄ行三维建模，并对其进行在风荷载作用下的线性静力分析和屈曲分析。风荷载对于结构的影响相对于其他结构来说，变截面双曲钢筋混凝土薄壳结构对脉动风荷载的影响更为敏感，在设计中不仅需要验算其结构的抗风性能，且对其之间的相互干扰效应故并
也要引起足够的重视。
关键词：冷却塔；数值模拟；计算风工程；有限元分析
中图分类号：Ｕ３２１Ｔ１．文献标识码：Ａ文章编号：６３５８（０２０—２８０１７—７１２１）３０９３
随着我国经济的迅速发展，工业生产与人类日在
壳体动一）男安徽含山人，合肥工业大学硕士生２８《９工程与建设》２１０２年第２６卷第３期

风雨共同作用超大型冷却塔气动力和受力性能

风雨共同作用超大型冷却塔气动力和受力性能柯世堂;余文林【期刊名称】《振动、测试与诊断》【年(卷),期】2018(038)004【摘要】为定量评价雨荷载对超大型冷却塔气动力和风效应的影响,以国内某在建世界最高的220 m超大型双曲线间接空冷塔为例,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)方法对冷却塔周围风场进行数值模拟,验证模拟结果的有效性后添加离散相模型(discrete phase model,简称DPM)进行雨强为50mm/h的暴雨模拟,系统分析了风雨共同作用下冷却塔表面流体绕流特性、风雨荷载特征值及平均压力系数的变化.在此基础上,采用有限元方法分析了风荷载和风雨荷载共同作用下超大型冷却塔风致稳定性和受力性能.研究表明:冷却塔表面所受总雨荷载占总风荷载的6.71％,部分区域内雨压系数可达0.07以上,与风压系数的比值最高可以达到26.98％;相比于风荷载,风雨荷载共同作用降低了冷却塔整体屈曲稳定和局部稳定性能,增大了塔筒、支柱和环基结构内力响应,屈曲位移最大增量达10％,0°子午向轴力最大增量达17.4％.该结论可为此类大型冷却塔结构抗风/雨荷载设计提供参考依据.【总页数】10页(P800-809)【作者】柯世堂;余文林【作者单位】南京航空航天大学土木工程系南京,210016;南京航空航天大学土木工程系南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TU279.7+41;TU33+2【相关文献】1.风荷载作用下超大型自然通风冷却塔的受力性能2.超大型冷却塔风-雨双向耦合作用机理和气动力分布研究3.超大型冷却塔风致倒塌全过程数值仿真与受力性能分析4.等效静风荷载下超大型冷却塔受力性能分析5.侧风对超大型冷却塔内空气动力场的影响研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

超大型冷却塔结构风振与地震作用影响比较

超大型冷却塔结构风振与地震作用影响比较柯世堂;赵林;葛耀君【摘要】超大型冷却塔属于典型风及地震敏感结构,随着塔高的日益增大这两种作用成为设计的控制因素,为了研究这两种作用在不同部位的控制程度,对某超大型冷却塔进行风洞刚体测压和气弹测振试验,通过加载试验获得的塔筒表面风压分布模式和风振系数进行风载作用下结构响应计算,和冷却塔在七度地震作用下的响应进行比较.对比结果表明:环基和塔简响应完全受风振控制,其在风载作用下的内力数值远大于地震作用下的数值,其中子午向和环向内力从塔底到塔顶逐渐变小,子午向和环向弯矩最大值均出现在塔筒的中部区域.两者对于人字柱的内力影响相差较小,和自重作用共同控制人字柱响应;采用振型分解法计算结构响应需要考虑前300阶的振型影响,而对于风振作用的频域分析只需考虑前30阶模态数即可满足.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2010(042)010【总页数】7页(P1635-1641)【关键词】冷却塔;风洞试验;地震作用;参振模态【作者】柯世堂;赵林;葛耀君【作者单位】同济大学,土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092;同济大学,土木工程学院,上海,200092;同济大学,土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092;同济大学,土木工程学院,上海,200092;同济大学,土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092;同济大学,土木工程学院,上海,200092【正文语种】中文【中图分类】TP339;U495.2大型冷却塔作为一种空间薄壁的高耸结构，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100多米高的冷却塔壳体最小厚度仅有十几厘米.1965年11月英国渡桥电厂的3座高114 m的冷却塔在一阵强风下先后倒塌，以及1973年Ardeer电厂和在1984年 FiddlersFerry电厂的冷却塔再次倒坍，引起了世界各国学者对冷却塔结构安全性研究的重视，已经先后召开了5次关于自然通风冷却塔的国际会议，国际上有许多学者从事冷却塔在强风和地震作用下的安全性研究［1－3］.近几年，国内针对冷却塔抗风问题已展开了较为广泛的研究工作［4－10］，风洞试验为其中有效手段之一，主要采用刚体模型表面同步测压和基底高频天平测力试验方法，北京大学的武际可和魏庆鼎教授较早的对于冷却塔的受力性能和风致振动进行了相关研究［4－5］，同济大学课题组针对传统气弹模型设计方法的不足提出了基于等效梁格法冷却塔气弹模型设计方法［6］，而后对于超大型冷却塔的风荷载特性和风致干扰效应在风洞试验中进行了比较全面的研究［7－9］，浙江大学的孙炳楠教授采用CFD方法对冷却塔进行了单塔和双塔情况下的风荷载模拟［10］.这些研究大多是单独基于风振或地震作用下的分析，对于风载和地震作用下响应的对比分析研究相对较少.为此本文基于某超大型冷却塔(塔高177 m)群塔组合刚体测压模型与气弹模型试验结果，采用有限元和自行编制的频域计算方法，对该超大型冷却塔进行了试验不对称风压作用下的冷却塔响应计算，并和地震作用下响应进行对比分析，得出了一些有益的结论.1 风洞试验1.1 试验设备及模型本试验在同济大学土木工程防灾国家重点试验室TJ－3大气边界层风洞中进行.该风洞为闭口回流式矩形截面风洞，试验段尺寸宽为15 m、高为2 m、长为14 m.按1∶200缩尺比制作冷却塔测外压模型和测内压模型(如图1)，冷却塔及周边其他建筑模型阻塞度小于7%.图1 冷却塔模型大气边界层模拟风场的调试和测定是用丹麦DANTEC公司的Streamline热线风速仪，冷却塔内外表面平均压力与脉动压力测量采用美国Scanivalue扫描公司的DSM3000电子压力扫描阀.信号采样频率为312.5 Hz，每个测点采样样本总长度为6 000个数据.冷却塔测外压模型沿其环向与子午向布置36×12个外表面压力测点.测内压模型沿其环向与子午向布置36×6个内表面压力测点.内外压测点布置见图2.冷却塔周边存在较为密集的工业厂房，建筑物之间的干扰效应不容忽略(见图3).图2 测压模型测点布置(单位:m)图3 某电厂冷却塔工程Ⅰ期、Ⅱ期平面布置图1.2 符号定义冷却塔表面测点i处的压力系数CPi为其中:Pi为作用在测点i处的压力，P0和P∞分别为试验时参考高度处的总压和静压.结构整体阻力系数CD为其中:Ai为第i测点压力覆盖面积，θi为第i测点压力方向与风轴方向夹角，AT为结构向风轴方向投影面积.定义多塔比例系数KD为其中:CDm为给定流场下多塔整体阻力系数极值，CDs为相应流场条下单塔整体阻力系数极值.1.3 实验结果表1给出了不同的冷却塔组合工况在不同的来流风向角下的整体阻力系数均值和最大值以及多塔比例系数的数值，由表1可以看出，工况8下来流角度247.5°是四塔组合时最不利来流角度.在A、B、C、D 4类不同地形、地貌典型工程场地条件下，进行了冷却塔单塔气弹模型风振试验.冷却塔不同高度位置刚度变化较大，风振响应平均位移值亦有明显差别.表2中亦比较了试验与规范风振系数取值，规范值介于试验结果不同位移幅值风振系数取值之间，冷却塔风振系数与平均风振响应、所处塔筒高度及环向位置有关.对于Ⅰ、Ⅱ期冷却塔工程(含周边其他建筑)最不利来流角度(247.5°)来流，气弹模型风振系数和刚体测压试验多塔比例系数均明显超出单塔试验结果约20%～40%.两类试验对比可以说明临近的同等尺寸其他建筑对于冷却塔的干扰效应不容忽略.将刚体测压和气弹测振试验所得到的表面不对称风压和多塔比例系数以及风振系数用作本文冷却塔风载作用输入参数.表1 冷却塔四塔组合最不利来流工况列表1 ) 0.422 0.572 1.179 202.5 2 (Ⅰ期双塔+Ⅱ期3#塔)中的1#塔0.448 0.551 1.137 180 3 (Ⅰ期双塔+Ⅱ期3#塔)中的2#塔0.423 0.511 1.053 180 4 (Ⅰ期双塔+Ⅱ期4#塔)中的1#塔 0.447 0.558 1.151 180 5 (Ⅰ期双塔+Ⅱ期双塔)中的1#塔0.449 0.555 1.145 180 6 (Ⅰ期双塔+Ⅱ期双塔)中的2#塔 0.431 0.532 1.097 202.5 7 (Ⅰ期双塔+Ⅱ期双塔)中的3#塔0.499 0.617 1.271 112.5 8 (Ⅰ期双塔+Ⅱ期双塔)中的4#塔Ⅰ期双塔中的2#塔0.536 0.647 1.333 247.5表2 冷却塔典型场地风振系数试验结果位移区间断面编号测点位置场地类别A BC D 1.71 1.77 1.82 1.94 5 1.62 1.67 1.73 1.83 10～15 cm 迎风向4 1.44 1.501.54 1.64 6 3 1.68 1.74 1.79 1.91 1.97 1.97 1.97 1.98 10～15 cm 5 侧后风向1.84 1.85 1.85 1.86 4 1.62 1.63 1.63 1.64 62.34 2.37 2.38 2.52 5 2.34 2.322.523.29 5～10 cm 其他测点4 2.06 2.19 2.35 2.07 6 3 1.90 2.12 2.12 2.512 地震作用2.1 反应谱根据江苏省地震工程研究院提供的本场地三期扩建工程地震安全性评价工作报告，50年超越概率10%条件下，拟建厂址基岩水平向地震动峰值加速度值为0.087 g;地表水平向地震动峰值加速度值为0.121 g，特征周期为0.5 s，水平地震影响系数最大值为0.3.相应地震基本烈度为VII度.拟建场地覆盖层的平均等效剪切波速为200 m/s，场地土类型属中软场地土，建筑场地类别为Ⅱ类，为可进行工程建设的一般场地.建筑抗震设计规范(GB 50011—2001)规定，场地设计地震动加速度反应谱取为图4为本文采用江苏省工程地震研究院所提供的场地地表加速度反应谱.地震的激励采用水平向+竖向输入方式，其中竖向反应谱采用相应的水平向反应谱，竖向地震系数取相应水平地震系数的0.65.图4 场地水平地震加速度反应谱2.2 线性反应谱分析线性反应谱分析采用振型分解法，结构总体阻尼采用0.05，考虑到本工程规模超出建筑抗震设计规范(GB 50011—2001)的适用范围，本文计算结果仅给按SRSS 组合后的水平向、竖向地震组合输入响应，即其中:地震效应折减系数ξ=0.35.3 风载与地震作用对比分析3.1 结构建模冷却塔结构建模采用离散结构的有限单元方法，冷却塔塔壁离散为空间壳单元，顶部刚性环基与环基连接的52对人字柱采用空间梁单元模拟，结构312根桩基础采用空间弹簧单元模拟，弹簧单元一端与环基刚性连接，另一端固结约束.有限元计算模型的总体坐标系以沿高度方向为Z轴，水平向对称结构分别为X轴和Y轴，其中X轴为顺风向，Y轴为横风向，符合右手定则.由此建立如下模型.通风筒壁建立环向416个单元，子午向107(含2个刚性环单元)个单元.冷却塔通风筒特性如表3，冷却塔采用Φ 1 300 mm 52对人字柱，7 500×2 500 mm环基离散为104个空间梁单元，桩基础为Φ 1 000 mm 312根弹簧单元，前4阶动力特性计算分析结果如表4所示.3.2 环基受力性能对比分析冷却塔环基设计截面为7 500 mm × 2 500 mm的矩形连续环形基础，环基离散为104个空间梁单元.计算时基本风压取为0.35 kPa，选择风洞试验测量得到的冷却塔筒体外表面实际压力分布加载，地震作用按七度计算，采用振型叠加法求解，现提供风、地震作用下环基内力对比图(如图5).从图5(a)中可以看出，环基在地震作用下的轴力最值为±1 505 kN，在风载作用下的轴力最值－1 171 kN，且在第20个节点处达到最小值，对应的偏角70°正好是受到群塔干扰后的迎风面正吹风角度.图5(b)到图5(e)分别给出了环基径向剪力与弯矩、竖向剪力与弯矩的对比图，可以明显地看出，这四种内力都是在风载作用下的数值远大于在地震作用下的数值，并且都是在偏角70°时出现最值.环基的轴力受地震和风载共同作用控制，而径向和竖向内力完全由风振控制，并且与地震作用不同的是在不同的角度数值差别较大，设计时应特别注意群塔或周边建筑干扰后的迎风面位置的内力数值.表3 冷却塔通风筒特性离地高度/m 筒壁壁厚/m 中心半径/m 12.216 1.400 67.347 37.405 0.340 59.380 62.594 0.330 51.656 87.784 0.320 45.685 100.378 0.310 43.123 112.973 0.300 41.103 125.568 0.271 39.731 138.162 0.271 39.132 150.757 0.271 39.229 177.150 0.271 39.543表4 冷却塔自振频率和振型描述3.3 人字柱受力性能对比分析52对冷却塔人字柱设计采用Φ 1 000 mm钢筋混凝土柱，采用空间梁单元模拟.对于人字柱来说，主要承受轴力、剪力和弯矩3个内力作用.表5给出不同荷载工况下人字柱受到的最大轴力、剪力和弯矩的数值大小.从表5中可以看出，不管是风载、地震作用还是自重，对于人字柱的轴力、剪力和弯矩的影响不是很大，基本都是在同一数量级，只是在自重的作用下所有人字柱只存在受压的轴力，而对于风和地震作用下同时存在拉力和压力.由于冷却塔是对称的旋转薄壳结构，人字柱受到的弯矩和剪力都比较小，每延米最大弯矩485 kN·m出现在风载作用下，从历史上冷却塔的事故中也发现，大多都是塔筒或是环基出现破坏，很少有人字柱发生破坏的，设计时需要注意的是人字柱和环基及壳体连接部位的构造措施.图5 风和地震作下环基不同内力对比图表5 不同荷载组合人字柱每延米最不利内力及其对应的其他内力数值内力编号组合工况轴向最大压力时轴向最大拉力时最大弯矩时轴力/ kN剪力/ kN弯矩/ (kN·m)轴力/ kN剪力/ kN弯矩/ (kN·m)轴力/ kN剪力/ kN弯矩/ (kN·m) 1－3 846 33 119 －3 611 55 160 －3 611 55 160 2静风－2 773 41 291 2 720 57 339 2 141 71 485 3 温度(冬季) －16 59 197 －16 59 197 －16 59 545 4 温度(夏季) 6 22 96 6 22 96 6 22 178 5地震自重±2 264 ±72 ±422 ±2 264 ±72±422 ±22 464 ±72 ±4223.4 塔筒受力性能对比分析塔筒上的受力是冷却塔设计中最受关注的部分，其受风荷载的空间分布模式影响极大，由于塔筒是空间薄壁高耸结构，其振型极其复杂，要求地震作用时对于高阶振型的贡献问题需要考虑.塔筒环向和子午向内力均按划分的单元数和模板层数给出，子午向内力按每层模板端部内力总共给出106个结果，环向为每层竖向最大内力单元所对应内力值.图6分别给出了子午向、环向的每层最大内力和弯矩的数值对比图，从图中可以看出，对于塔筒这种旋转薄壳结构体系，风载作用下环向和子午向内力都大于地震作用下的内力数值，对于风载和地震作用下子午向和环向内力，从塔筒底部到塔顶逐渐变小，而风载作用下的子午向和环向弯矩最大值则出现塔筒的中部区域，地震作用下的子午向弯矩基本不随高度的变化而改变，地震作用下的环向弯矩最大值也出现在塔筒中部位置.3.5 参振模态数目的影响为了研究参振模态数目对风振作用下响应的影响，利用频域计算方法(自行编制的动力计算程序RSFM)加载风洞试验得到的风压分布模式进行分析.选取风向角为0度，风速为141m/s(相当于风洞中的10 m/s)时的工况进行分析.图7给出了选取不同参振模态数目下的冷却塔喉部位移标准差.可以看出，当参振模态为10时，位移标准差较小，高阶模态对位移的贡献还比较大，当参振模态数目为30时，位移标准差区域稳定，当参振模态为50时高阶模态对位移的贡献已经非常小，所以计算冷却塔风载作用下位移响应时取30个参振模态数即认为可以满足要求.图6 风和地震作用下塔筒不同内力对比图对于地震作用下的响应采用振型分解法，计算发现水平向和竖向质量参与系数最大的振型分别为第33阶和第186阶，因此线性反应谱分析应充分计入高阶振型的效应，本次计算中取前300阶时，X、Y和Z方向的质量参与系数均达到99.9%以上.可以得出，地震作用下的响应计算需要考虑高阶的振型影响，而对于风载作用下的响应计算只需考虑30阶模态数即可满足.图7 参振模态数对位移标准差的影响4 结论1)基于超大型冷却塔0.35 kPa基本风压下风振和七度区地震作用的有限元分析可知，环基主要受风振控制，其在风载作用下的内力数值远大于地震作用下的数值，并且在不同的角度内力差别较大，应注意群塔或周边建筑干扰后的迎风面位置的内力数值.2)不管是风载、地震作用还是自重，对于人字柱的轴力、剪力和弯矩的影响不是很大，基本都是在同一数量级，设计时需要注意人字柱与环基及壳体连接处的构造措施.3)塔筒完全受风振控制，风载作用下环向和子午向内力及弯矩都大于地震作用下的数值，对于风载和地震作用下子午向和环向内力，均从塔筒底部到塔顶逐渐变小，而风载作用下的子午向和环向弯矩最大值则出现塔筒的中部区域，地震作用下的子午向弯矩基本不随高度的变化而改变，环向弯矩最大值也出现在塔筒中部位置.4)采用频域计算结构响应时，地震作用下的响应计算需要考虑300阶的振型影响，而对于风载作用下的响应计算只需考虑30阶模态数即可满足.参考文献:［1］ORLANDO M.Wind-induced interference effects on two adjacent cooling towers［J］.Engineering Structure，2001，23:979－992.［2］NIEMANN H J，KOPPER H D.Influence of adjacent buildings on wind effects on cooling towers［J］.Engineering Structure，1998，20(10):874－80.［3］BUSCH D，HARTE R，KRATZIG W B，et al.New natural draught cooling tower of height［J］.Engineering Structures，2002，24(12):1509－21.［4］武际可.大型冷却塔结构分析的回顾与展望［J］.力学与实践，1996，18(6):1－5.［5］陈凯，魏庆鼎.冷却塔风致振动实验研究［C］//第十一届全国结构风工程学术会议论文集.上海:同济大学出版社，2003.177－182.［6］赵林，葛耀君.双曲薄壳冷却塔气弹模型的等效梁格设计方法和实验研究［J］.振动工程学报，2008，21 (1)，31－37.［7］赵林，李鹏飞，葛耀君.等效静风荷载下超大型冷却塔受力性能分析［J］.工程力学，2008，25(7)，79－86.［8］赵林，葛耀君，许林汕，等.超大型冷却塔风致干扰效应试验研究［J］.工程力学，2009，6(1)，149－154.［9］许林汕，赵林，葛耀君.超大型冷却塔随机风振响应分析［J］.振动与冲击，2009，28(4)，180－184.［10］刘若斐，沈国辉，孙炳楠.大型冷却塔风荷载的数值模拟研究［J］.工程力学，2006，23(1)，177－184.［11］中华人民共和国建设部.GB/T 50102—2003工业循环水冷却设计规范［S］.长春:东北电力设计院，2003.。

【国家自然科学基金】_超大型冷却塔_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730

科研热词推荐指数超大型冷却塔 2 风荷载 1 风致振动 1 风洞试验 1 风振响应 1 自激力效应 1 等效静力风荷载 1 气弹模型 1 抗风研究 1 弹塑性时程分析 1 大型冷却塔 1 多点输入 1 地震响应 1 反应谱法 1 一致耦合法 1 wind loads 1 wind induced responses 1 super large cooling towers 1 self-excited forceeffect 1 ccm 1 aero-elastic model 1
2011年科研热词风致响应风洞试验等效静力风荷载模态贡献系数极限承载力材料非线性整体稳定性排烟冷却塔弧长法屈曲模态局部稳定性大型冷却塔结构双曲冷却塔加固方案初始缺陷推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2012年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
推荐指数 4 3 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2014年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
2014年科研热词风致响应等效静力风荷载模态耦合排烟冷却塔强度分析局部稳定性加固设计力协方差法共振分量推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1
推荐指数 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
科研热词风致响应风洞试验等效梁格设计法气动弹性模型干扰效应大型冷却塔 1 1 1 1
2011年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

考虑土体结构相互作用的大型双曲冷却塔风致响应分析

考虑土体结构相互作用的大型双曲冷却塔风致响应分析沈国辉;王宁博;鲍侃袁;孙炳楠;楼文娟【摘要】采用有限元方法模拟大型双曲冷却塔的土体与结构相互作用(SSI),分析不同土体条件下自振特性的特征,基于风洞试验结果进行风致响应的计算,并分析不同土体条件下响应的差别.研究表明:土体刚度越小,土体结构体系的自振频率也越小；土体对冷却塔上半部分的子午向薄膜力影响较小,对下半部分影响较大；考虑SSI 效应后,平均风作用下冷却塔径向位移增大,子午向薄膜力减小,脉动风作用下径向位移均方根增大,子午向薄膜力均方根几乎不变.%The finite element method is employed to study the Soil-Structure Interaction (SSI) on the large hyper bolic cooling tower. The vibration characteristics of the cooling tower under different soil conditions are investigated and the wind-induced responses based on the wind tunnel test results are calculated. Then the difference of responses considering different soil conditions is analyzed. Results from this study show that the vibration frequencies of the soil structure system decrease when the stiffness of the soil decreases. The soil underneath the tower has insignificant influ ence on meridonial membrane forces for the upper part of the cooling tower, but has significant influence for the lower part of the tower. Under mean wind load action, the radial displacement of the cooling tower will increase and the me ridonial membrane force will decrease when considering SSI. Under dynamic wind loads action, the Root-Mean-Square of radial displacements will increase and the Root-Mean-Square of meridonial membrane forces will keep mostly un changed when considering SSI.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2011(029)006【总页数】7页(P777-783)【关键词】冷却塔;风荷载;有限元;结构土体相互作用;自振特性【作者】沈国辉;王宁博;鲍侃袁;孙炳楠;楼文娟【作者单位】浙江大学土木工程学系,杭州310058;中国建筑西北设计研究院,西安710003;浙江大学建筑设计研究院,杭州310027;浙江大学土木工程学系,杭州310058;浙江大学土木工程学系,杭州310058【正文语种】中文【中图分类】TU312.10 引言大型自然通风冷却塔是一种双曲线型钢筋混凝土薄壁结构，由于其体型庞大，壁厚很薄，风荷载成为其主要的控制荷载。

考虑Ⅰ型支柱的超大型冷却塔风洞试验与风振系数研究

考虑Ⅰ型支柱的超大型冷却塔风洞试验与风振系数研究
韩文星;王振宇;吴隽;钟润辉;张春伟
【期刊名称】《特种结构》
【年(卷),期】2024(41)1
【摘要】超大型冷却塔结构的支柱截面构型和风振系数取值对其结构抗风稳定性尤为重要。

依托安徽平山电厂二期国家最大火电机组超大型冷却塔示范工程,建立超大型冷却塔三维有限元精密化足尺模型,提出六种Ⅰ型支柱截面方案并探究其对结构模态、最小局部稳定因子和质量参与系数的影响,根据确定的截面方案建立冷却塔缩尺模型并开展刚体测压风洞试验,最终给出考虑Ⅰ型支柱的超大型冷却塔风振系数取值。

研究表明不同支柱宽度最小局部稳定因子和前1000阶质量参与系数总和基本相同,Ⅰ型支柱宽度2m为超大型冷却塔支柱最优方案,单塔和最不利风向角下考虑Ⅰ型支柱的超大型冷却塔整体风振系数建议取值为1.77和1.95。

研究结论可为此类超大型冷却塔支柱截面选型和结构抗风设计提供参考。

【总页数】7页(P6-11)
【作者】韩文星;王振宇;吴隽;钟润辉;张春伟
【作者单位】中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司;南京航空航天大学土木与机场工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TU279.7
【相关文献】
1.超大型冷却塔内表面风荷载风洞试验与数值模拟研究
2.超大型双曲冷却塔风荷载特性风洞试验研究
3.超大型冷却塔施工全过程风振响应及风振系数演化规律研究
4.超大型冷却塔风荷载特性风洞试验研究
5.考虑百叶窗透风率超大型冷却塔内吸力风振系数研究
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考虑气弹效应的超大型冷却塔脉动风压非高斯特性研究

考虑气弹效应的超大型冷却塔脉动风压非高斯特性研究
柯世堂;夏逸鸣;王法武;唐敢
【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(044)008
【摘要】设计制作可同步测压测振的超大型冷却塔(高度为200 m)完备气弹模型,获取了考虑气弹效应的表面脉动风荷载,并对脉动风压的非高斯统计特性进行研究.基于测点脉动风压时程及其概率密度分布曲线,对具有非高斯分布特性的局部区域作出判断,再从风压信号的时间-空间相关性入手,并结合中心极限定理讨论非高斯风压的形成机理,最后基于高阶矩的斜度及峰态值给出非高斯特征的区域划分和判别标准.
【总页数】8页(P3302-3309)
【作者】柯世堂;夏逸鸣;王法武;唐敢
【作者单位】南京航空航天大学土木工程系,江苏南京,210016;南京航空航天大学土木工程系,江苏南京,210016;南京航空航天大学土木工程系,江苏南京,210016;南京航空航天大学土木工程系,江苏南京,210016
【正文语种】中文
【中图分类】TU279.7+41
【相关文献】
1.大跨屋盖脉动风压的非高斯特性研究 [J], 叶继红;侯信真
2.大型冷却塔结构风致气动和气弹效应综合研究 [J], 赵林;曹曙阳;葛耀君;展艳艳;
王志男;梁誉文;刘晓鹏;程霄翔;张军锋;柯世堂;王小松
3.大型双曲冷却塔表面脉动风压随机特性——非高斯特性研究 [J], 柯世堂;葛耀君;赵林
4.单轴对称L型截面高层建筑脉动风压非高斯特性研究 [J], 李毅;王地灵;李秋胜;李永贵;;;;
5.复杂曲面屋盖脉动风压的非高斯特性及峰值因子研究 [J], 杨雄伟;周强;李明水;王沛源
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【项目名称】超大型冷却塔结构抗风关键技术及应用

【项目名称】超大型冷却塔结构抗风关键技术及应用【提名者】中国土木工程学会
【提名等级】科技进步奖二等奖
【主要知识产权和标准规范等目录】
【主要完成人】葛耀君，赵林，柯世堂，翟慎会，彭德刚，李敬生，曹曙阳，李毅男，操金鑫，张军锋
【主要完成单位】同济大学，南京航空航天大学，国核电力规划设计研究院有限公司，中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，郑州大学
【项目名称】地铁盾构有障穿越成套关键技术及应用【提名单位】中国土木工程学会
【提名等级】科技进步奖二等奖
【主要知识产权和标准规范等目录】
【主要完成人】
袁大军，陈湘生，王占生，丁文其，赵勇，史海欧，李兴高，刘树亚，周明保，付艳斌。

【主要完成单位】
深圳市地铁集团有限公司，北京交通大学，苏州市轨道交通集团有限公司，同济大学，广州地铁设计研究院股份有限公司，中铁南方投资集团有限公司，深圳大学。

【项目名称】运营高铁枢纽立交疏解节点安全快速建造成套技术示范【提名单位】中国土木工程学会
【提名等级】科技进步奖二等奖
【主要知识产权和标准规范等目录】
【主要完成人】
胡国伟，常乃超，金福海，杨宝辉，郭星亮，戴公连，饶少臣，王晓琳，褚晓晖，董云鹏。

【主要完成单位】
中铁三局集团有限公司，中铁第四勘察设计院集团有限公司，中铁三局集团桥隧工程有限公司，中南大学，柳州欧维姆机械股份有限公司。

大型冷却塔结构风致稳定和风振效应研究进展

第42卷第1期2022年2月振动、测试与诊断Vol.42No.1Feb.2022 Journal of Vibration，Measurement&Diagnosis大型冷却塔结构风致稳定和风振效应研究进展∗赵林1，陈旭2，柯世堂3，张军锋4，葛耀君1（1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海，200092）（2.上海师范大学建筑工程学院上海，201418）（3.南京航空航天大学土木与机场工程系南京，210016）（4.郑州大学土木工程学院郑州，450001）摘要伴随我国经济快速发展，火/核电厂大型冷却塔建设保持快速增长势头，呈现超高、超大的发展趋势。

风荷载作用下的冷却塔塔筒壳体风致稳定和结构风振效应成为结构设计建造的关键控制因素。

笔者从理论分析、试验模拟、数值计算、现场实测4个方面论述了冷却塔风致稳定和风振效应系列研究进展，阐明了基于环向均匀加载的冷却塔稳定验算公式难于适用复杂风压条件下壳体弹性稳定分析与评估，强调了基于现场实测建立超高雷诺数条件下动态绕流物理风洞试验模拟准则的必要性，推荐开展风致动力分析中冷却塔结构阻尼比实测工作。

面向台风和龙卷风等特异风灾气候结构效应研究的现实需求，亟需开展特异风场作用下大型冷却塔壳体失稳和结构风振效应和机理的研究。

关键词大型冷却塔；风致稳定；风致振动；现场实测；特异风灾中图分类号TU331问题的引出冷却塔是火/核电厂二次高温循环水的冷却基础设施，是电力建设发展的重大生命线节点工程。

全世界第1座32.3m高的钢筋混凝土冷却塔诞生于1918年的荷兰。

1965年，冷却塔高度首次突破百米时，发生了英国渡桥电厂塔群风毁事故，由此拉开了冷却塔抗风研究的序幕［1］。

随后几十年间，欧美发达国家相继出现了多次严重的冷却塔风毁事故［2］（1973年英国Adeer电厂、1978年美国Willow Is⁃lands电厂、1979年法国Bouchain电厂、1981年美国Grand Gulf电厂、1984年英国Fiddler´s Ferry电厂），但据此开展的系统研究工作推动了大型冷却塔建设和规模的发展。

超大型冷却塔等效静风荷载精细化计算及应用

多振型参与和多耦合效应特征［２，若还是直接套用高层建筑的研究方法必然会出现抗风设计安全问
１等效静力风荷载精细化分析方法
柔性结构在风荷载激励下的随机动力响应方程
可表达为
题，相应的等效静力风荷载计算理论及数学模型亟
最后以内陆某核电超大型冷却塔（高度２１５ｍ）结构
的全面实施和核电建设的快速发展，我国冷却塔建
设日趋高大化（塔高突破世界纪录２００ｍ）和复杂化
（群塔组合多变，周边构筑物干扰显著），指导结构抗
高２１５ｍ）为例，采用ＣＣＭ方法进行ＥＳＷＬｓ计算，探讨了ＥＳＷＬｓ平均、背景、共振和交叉项分量的分布特征，并结
合规范条款对比分析了超大型冷却塔风振系数的数值和分布特征，为超大型冷却塔结构设计和抗风安全性提供
因子法给出不同场地的阵风荷载因子（即风振系数）
数的数值和分布特征。鉴于此，笔者从结构动力学和随机振动理论出发，推导出超大型冷却塔脉动风
总响应和ＥＳＷＬｓ的真实组合公式，并基于荷载一响
应相关方法，提出基于背景、共振和耦合恢复力协方差矩阵的一致耦合（简称ＣＣＭ）方法来求解结构的脉动风致响应和ＥＳＷＬｓ。这一方法使得结构风振

一种多风机模式的超大型节水消雾冷却塔[发明专利]

专利名称：一种多风机模式的超大型节水消雾冷却塔专利类型：发明专利
发明人：许锦,尹亮,姚金海
申请号：CN202110024591.6
申请日：20210108
公开号：CN112665411A
公开日：
20210416
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种多风机模式的超大型节水消雾冷却塔，包括塔体，以及由下至上依次安装于所述塔体的填料、喷淋装置、收水器、换热装置和若干排风装置；所述换热装置与所述喷淋装置相连通；若干所述排风装置呈正多边形式布置；所述塔体下部设置进风口；所述塔体内部设置横梁，所述横梁上铺设填料支撑架，所述填料放置于所述填料支撑架内。

本发明的技术方案解决了现有消雾塔节水效果差等技术问题。

申请人：恒力石化(大连)化工有限公司
地址：116000 辽宁省大连市长兴岛经济区长松路298号
国籍：CN
代理机构：大连东方专利代理有限责任公司
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