钢结构间接空气冷却塔设计方法研究

钢结构间接空气冷却塔设计方法研究

乐 威 赵 立

(武汉一冶钢结构有限责任公司， 武汉 430080)

摘 要：以国外某165 m高钢结构空冷塔为设计原型，在国内已有研究成果的基础上，进一步研究国内规范条件下钢结构间接空气冷却塔结构的可行性，通过对钢结构空冷塔结构的整体屈曲分析反推结构主要受力构件计算长度系数，从而对结构实现进一步的优化；通过有限元计算软件MIDAS分别对24对、30对、36对斜柱空冷塔模型进行计算，在不影响结构整体性能的前提下，优化空冷塔结构用钢量，最终结果表明，模型结构的用钢量基本维持在5 000 t左右，从而保证了钢结构空冷塔的经济性。

关键词：空冷塔； 屈曲分析； 有限元； 用钢量

目前，国外已有将钢结构体系运用于间接空冷塔建设的成功案例，见图1，而国内此方面的建设尚属空白，但已有多家单位在进行相关技术的研究[1]，由于缺乏资料，多数研究停留在简单的初级建模阶段。鉴于此，本文采用有限元方法，系统研究了钢结构间接空气冷却塔在恒荷载作用下的屈曲模态，并利用逆推稳定承载力公式的方法，对塔筒斜柱的计算长度系数进行分析，根据塔筒屈曲模态定性分析了塔筒结构的受力特性和结构体系。最后，利用结构的受力特点对结构用钢量进行优化。

图1 国外建成空气冷却塔项目实景

1 结构模型及参数

拟建钢结构间接空冷塔原型基于国外已建成钢结构空冷塔项目，塔高为165 m，出口直径为94 m，喉口高度为126 m，喉口直径为89 m，底部直径为132.18 m。

利用偶数对斜向柱按一定的方位角绕中心旋转后自然形成双曲抛物面，之后沿塔身高度设置若干道加强环桁架，加强环采用三角形桁架，作为斜柱在双曲抛物面外的支撑点。空冷塔塔筒结构整体模型如图2所示。

图2 空气冷却塔三维模型示意

2 荷载取值

荷载环境条件，空冷塔结构计算应同时考虑结构自重、风荷载、地震作用、温度作用和施工荷载。拟建空冷塔的抗震设防烈度为8度，基本地震加速度为0.2g，场地类别为Ⅲ类；恒荷载只考虑结构自身的自重和蒙皮结构的重量，蒙皮结构按照风荷载局部承压计算后统计自重，并按0.626 kN/m的线荷载施加在每根斜柱上；活荷载取值仅考虑施工荷载；结构温度荷载考虑整体内外温差，按40 ℃考虑，日光照射产生的温差，按照正向温差为20 ℃，垂直向温差为10 ℃考虑。

风荷载计算中基本风压w0为0.76 kN/m2，地面粗糙度为B类。风振系数和风荷载体型系数，可分别参照GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[2]中公式计算：

(1)

式中：βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；w0为风荷载标准值。

或按照DL/T 5339-2006《火力发电厂水工设计规范》[3]中公式计算：

(2)

式中：w(Z,θ)为作用在塔表面上的等效风荷载标准值，kN/m2；β为风振系数；Cp(θ)为平均风压分布系数，由规范DL/T 5339-2006中公式计算：

(3)

分别进行计算时，两部规范相应的计算结果略有不同，如表1、表2所示。施加风荷载后的局部效果如图3所示。

由于缺乏相关试验资料，无法对结构真实的风荷载取值，做出准确计算，因此总的风荷载计算，均按照DL/T 5339-2006进行[3]。

表1 风振系数对比

高度/mGB50009-2012DL/T5339-200628.8551.8971.388.43104.16119.15133.93149.03165.001.11.21.31.41.51.61.71.71.82.32.32.32.32.32.32.32.32.3

表2 体型系数对比

角度/(°)GB50009-2012DL/T5339-200601530456075901051201351501651.00.80.1-0.7-1.2-1.5-1.7-1.2-0.7-0.5-0.4-0.41.00.80.1-0.6-1.2-1.3-0.9-0.4-0.4-0.4-0.4-0.4

图3 结构风荷载分布

3 有限元计算结果

3.1 结构非线性屈曲分析

根据文献[4]的阐述，侧向荷载只引起轴力的不均匀分布，并不会增大层间轴力的总和，因此屈曲分析过程中可不考虑地震作用和风荷载等侧向荷载，只考虑恒荷载和自重作用下结构的屈曲。

利用有限元分析软件MIDAS GEN对各种组合下的结构反应进行模拟计算，非线性屈曲分析计算结果如图4所示。

由恒荷载和自重共同作用下的前3阶模态看出：结构的主要屈曲形式表现为下层斜柱的局部屈曲，并未表现出有侧移框架柱屈曲的特点，因此判断空冷塔筒体在竖向荷载作用的失稳，属于弱支撑框架。童根树[4]指出，在框架柱轴力相差较大时，只有底层柱的失稳荷载是真实的，其他层的失稳轴力只代表与底层柱的比例关系，并非真实的失稳轴力。

a-1阶；b-2阶；c-3阶
图4 30对斜柱模型前3阶屈曲模态

3.2 斜柱的计算长度系数

拟建空冷塔的抗震设防烈度为8度，基本地震加速度为0.2g，所处环境属于高烈度地区，根据GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》[5]的有关要求，构件构造长细比限值为。以从下向上第一道和第二道加强环桁架之间的广义第二层为例，通过有限元分析得出斜柱的失稳轴力后，根据公式(4)反推求出钢柱的计算长度系数μ，计算结果如表3所示。

(4)

式中：Pcr为弹性失稳临界荷载；μ为下层柱的无侧移计算长度系数；h为下层柱的几何长度。

表3 广义二层柱计算长度

柱 号轴力值/kN屈曲因子截面惯性矩/m4计算长度系数计算长度/m广义二层柱975.69239.1620.006620.95218.09

计算结果表明，广义第二层斜柱的计算长度系数远小于按有侧移钢框架计算的结果。因此，按照弱支撑结构进行空冷塔塔筒结构计算是合理有效的。

沿塔筒高度方向设置的每道加强环桁架，所取截面相同，因此可由第二个广义层的计算长度系数进一步逆推出加强环桁架对斜柱的约束刚度大小，根据GB 50017-2003《钢结构设计规范》[6]附录D - 1可求得各层柱的计算长度系数，进而得出各层柱最小构造截面，如表4所示。

表4 广义二层柱计算长度系数

柱编号实际长度/mK2K1计算长度系数125.21910.0000.1360.717221.0340.1360.1250.952318.1780.1250.1310.957416.1980.1310.1380.947514.8330.1380.1780.914627.3050.1780.3140.876726.3630.3140.3970.819827.8350.3970.7780.740

注：K1为柱上端环桁架线刚度与柱线刚度的比值；K2为柱下端环桁架线刚度与柱线刚度的比值。

3.3 环状加强桁架设计要求

空冷塔塔筒斜柱的计算，应按照面内(环向)和面外(径向)分别进行计算。斜柱环向计算长度远小于径向计算长度，如只计算径向，则环向自动满足要求，加强环桁架如图5所示。

图5 加强环桁架示意

加强环桁架在空冷塔整个受理过程中，不承担其他荷载，仅作为径向支座，用以减小钢柱径向的计算长度。设置加强环可以有效减小径向的计算长度，即加强环桁架是作为斜柱在径向的支座，加强环桁架应有一定的强度和刚度，其基本要求是各广义层加强环桁架作为支座承受荷载F，加强环桁架在荷载F作用下不发生平面外屈曲，且保证斜柱不发生过大的变形，即可作为径向支座，减小斜柱在径向的计算长度。

由塔筒一阶屈曲模态(图4)可知，结构一阶屈曲出现4个波形，波形沿环向的反弯点处弯矩为零，则可取圆环的1/4拱作为计算单元，各节点处施加水平集中荷载F，计算模型如图6所示。

图6 加强环桁架简化计算圆拱模型

4 截面计算方法与用钢量优化

4.1 空冷塔截面计算方法

空冷塔构件截面计算，应从以下3个方面考虑：

1)塔筒下部柱由于承受较大的自重荷载，应按照压弯构件对其稳定承载力进行计算。

2)上部柱由于轴力小，风荷载较大，风荷载作用下的结构变形，成为结构计算的主要控制因素，构件截面应保证结构的整体刚度和变形符合要求。

3)沿塔筒自下而上设置的加强环桁架，只作为斜柱的侧向支撑，保证塔筒受力的整体性，应按照设计要求进行计算。

在此基础上，尚应满足GB 50011-2010中有关受压构件长细比限值的规定。

4.2 结构用钢量优化

目前常见的研究分析当中，空冷塔塔筒斜柱对数有24，30对和36对。影响斜柱计算的主要因素包括结构自重和长细比限值。因此，在保证长细比限值的前提下，尽可能提高截面利用率，可减轻结构自重，优化结构用钢量。

分别对24，30对和36对塔筒模型进行有限元分析计算，几何条件和荷载取值见上文，计算模型如图7所示。

a-24对斜柱；b-30对斜柱；c-36对斜柱
图7 塔筒计算模型

分别对3组有限元模型进行结构验算和界面设计后，得出3组有限元模型主要构件截面计算结果，如表5所示。

3组有限元模型用钢量对比表明，按照长细比

表5 3组筒体模型主要截面及用钢量对比

模型类型下部斜柱/(mm×mm)加强环桁架腹杆/(mm×mm)加强环桁架弦杆/(mm×mm)总用钢量/t24对模型?1100×35?325×12?168×84883.230对模型?1050×35?325×10?168×65032.636对模型?1050×30?300×10?152×65288.5

限值初选的截面中，除下层柱外，其他广义层下柱均未达到稳定应力比限值。结构刚度是影响构件截面的主要因素，这与前文中论述的风荷载是塔筒的主要控制荷载一致。表5中数据表明，尽管24对斜柱模型选用截面更大，但由于其构件数量较少，最终计算用钢量反而降低。因此，在结构变形能够满足要求的前提下，尽量减少斜柱的对数，可以有效地降低结构整体用钢量，从而提高结构的经济性。

5 结 语

首先，通过对GB 50009-2012和DL/T 5339-2006有关间接空气冷却塔塔筒风荷载的计算规定进行对比，得出在塔筒高度不超规的前提下，建议采用DL/T 5339-2006计算结构风荷载。

其次，利用有限元分析软件MIDAS GEN对塔筒在恒荷载作用下进行屈曲分析，利用广义第二层柱的屈曲承载力逆推出柱的计算长度系数，进而得出加强环桁架对各层柱的约束程度。

通过对结构前3阶屈曲模态的分析，得出结构失稳形式更接近于无侧移失稳的弱支撑框架失稳形式，根据GB 50017-2003有关无侧移框架柱计算长度系数的规定，得出各广义层柱的计算长度系数。

最终，分别对斜柱对数为24，30，36对的3组模型，进行细致的有限元模拟，求得结构用钢量，结构模型最终用钢量基本控制在5 000 t左右。对比分析后发现，由于塔筒属于构筑物，竖向荷载小，风荷载是结构的主要控制荷载。在保证结构变形满足要求的前提下，尽量减少斜柱的对数，可以有效控制结构用钢量，达到提高经济性的目的。

参考文献：

[1] 刘万里，冯峰，王吉特，等. 钢结构干式冷却塔研究[J]. 钢结构，2011，26(12)：25 - 28.

[2] GB 50009-2012 建筑结构荷载规范[S].

[3] DL/T 5339-2006 火力发电厂水工设计规范[S].

[4] 童根树. 钢结构平面内稳定[M]. 北京：中国建筑工业出版社,2004:93 - 105.

[5] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].

[6] GB 50017-2003 钢结构设计规范[S].

RESEARCH ON DESIGN METHOD FOR STEEL INDIRECT AIR COOLING TOWER

Le Wei Zhao Li

(Wuhan Yiye Steel Structure Co.Ltd， Wuhan 430080, China)

Abstract：Taking a 165 m high steel cooling tower in foreign country as the design prototype and based on past domestic research results, it was studied further the feasibility of steel indirect air cooling tower structure, whose overall buckling was analyzed, and the effective length factor of the main components of the structure was deduced inversely, and thus a further optimization of the structure was realized. The tower models with 24,30 and 36 pairs of inclined columns were calculated respectively by FE softwore MIDAS; and the steel amount of the tower was optimized under the premise without affecting the overall performance of the structure, the final result showed that the models amount of structural steel kept at about 5000 t, so as to ensure the economy of the steel cooling tower.

KEY WORDS：steel cooling tower； buckling analysis； finite element； amount of steel

第一作者：乐威，男，1979年出生，工程师。

Email：[e-mail]

收稿日期：2014 - 11 - 13

DOI：10.13206/j.gjg201505012