NONLINEAR BUCKLING ANALYSIS OF HYPERBOLIC COOLING TOWER SHELL WITH RING-STIFFENERS

This paper is concerned with a numerical solution of hyperbolic cooling tower shell, a class of full nonlinear problems in solid mechanics of considerable interest in engineering applications. In this analysis, the post-buckling analysis of cooling tower shell with discrete fixed support and under the action of wind loads and dead load is studied. The influences of ring-stiffener on instability load are also discussed. In addition, a new solution procedure for nonlinear problems which is the combination of load increment iteration with modified R-C are-length method is suggested. Finally, some conclusions having important significance for practice engineering are given.

大型冷却塔夏季日照筒壁温差原型实测与分布准则

中国现行规范的夏季日照筒壁温差条款源自20世纪80年代秦岭电厂的单一冷却塔(105m)实测结果,既有条款忽略了不同地域与不同尺度的温差分布影响,同时国际上现有冷却塔夏季日照温差分布准则取值存在差异,亟需开展真实大型冷却塔日照筒壁温差更普适的实测研究。鉴于此,基于预制墙板日照试验实现非接触式红外三维测温技术的有效性校订,以分布于我国“寒冷及严寒地区”的五座不同典型高度的大型冷却塔进行夏季全天候的筒壁温差实测;基于实测数据数理统计,提炼了日照筒壁温差的板内梯度分布、时域演变规律、空间分布模式和向阳内壁特性;在此基础上,量化了夏季日照筒壁温差子午向分布、环向分布、最大温差取值,提炼了囊括向阳内壁的大型冷却塔筒壁温差分布准则。研究发现,我国“寒冷及严寒地区”应考虑日照温度应力;日照筒壁温差沿厚度为三段式梯度分布,沿塔高约为恒值,沿环向为外表面非对称半圆分布,喉部以上向阳内壁具有负温差。研究结论加深了对大型冷却塔日照温差分布的理解,也为规范修订提供实测依据。

双曲线冷却塔施工偏差对结构性能的影响和加固方式选取的研究分析

双曲线冷却塔是用水作为循环冷却剂,从系统中吸收热量排放至大气中,以降低水温的双曲线型高耸构筑物,筒壁是冷却塔通风筒的主体部分,它是承受以风荷载为主的高耸薄壳结构,对风十分敏感。根据规范要求,塔筒整体屈曲稳定系数和局部弹性稳定系数均应≥5,施工过程中的偏差往往会导致结构性能降低,整体稳定性和局部稳定性不满足规范要求。本文以某双曲线冷却塔为研究对象,通过检测塔筒直径、筒壁厚度和钢筋保护层厚度的施工偏差,结合有限元软件进行数值模拟分析,得出施工偏差对双曲线冷却塔结构性能的影响和加固方式的选取方式。

复杂环境下双曲线冷却塔塔筒开槽拆除方案的设计与数值模拟

某双曲线冷却塔周边环境复杂,场地狭窄、重要设施较多,若采用传统爆破方式拆除施工难度大、安全风险高、费用昂贵,需采用其它拆除方式。采取在双曲线冷却塔塔筒开槽设水平切口,利用冷却塔自重失稳引发倒塌的方式进行拆除。利用ABAQUS有限元分析,对不同开槽角度下的冷却塔倒塌过程进行非线性数值模拟,分析冷却塔在塔筒开槽情况下倒塌的模式与影响范围。仿真计算结果表明,开槽角度达到90°时,冷却塔可以在自重作用下自行倒塌,计算倒塌时间为9.339 s,工程倒塌影响范围约30 m。冷却塔拆除工程的施工与数值模拟的形状和过程基本一致,由于施工时破拆机械对壳体有明显的扰动,且开槽中心位置正上方设有卸荷槽,实际工程倒塌过程短于模拟时间。冷却塔的开槽倒塌数值模拟和经验可为冷却塔正向设计提供参考。

塔体构型对钢结构间接空冷系统输运性能的影响研究

以2×350MW空冷机组为研究对象,采用数值模拟方法,详细探究了不同环境风速下,不同塔型空冷系统的流动换热特性;从系统整体至局部扇区两个层面上,揭示了不同塔型条件下空冷散热器水侧换热量和出口水温分布规律。研究结果表明,随环境风速增加,不同塔型间接空冷系统流动换热性能均下降;无风环境下,双曲线塔型冷却性能优于所有直锥塔型;各环境风速下,锥段比为0.2直锥塔型冷却性能低于其他塔型结构;环境风速4 m/s时,锥段比为0.5直锥塔型冷却性能优于其他塔型结构,且在环境风速8 m/s和12 m/s时,仍呈现较好的冷却性能。本研究可为钢结构间接空冷系统结构选型和设计提供理论支撑。

考虑材料非线性的RC冷却塔风致动力破坏研究

为明确RC冷却塔的风致动力破坏过程和极限脉动风荷载,采用ABAQUS对一代表性结构进行了计算。以分层壳单元模拟塔筒,分别采用塑性损伤模型和双折线模型模拟混凝土和钢筋的非线性本构,在对该塔规范静风极限承载力计算以及与既有弥散开裂模型结果对比的基础上,进行了试验脉动风荷载下的动力增量分析(IDA),结合变形模式、位移IDA曲线、裂缝分布、应力发展、塑性和刚度演化等方面对塔筒的破坏过程进行了系统阐述,并与静风破坏过程进行了对比。结果表明:静风荷载下,塑性损伤模型所得结构开裂荷载与弥散开裂模型结果一致,但前者所得结构极限荷载略高,结构延性更好;静力和动力风荷载作用下的结果差异来自本构模型、荷载模式和动力效应;脉动风荷载作用下RC冷却塔的结构破坏依然源于迎风子午向受拉导致的塔筒开裂和钢筋屈服,但应更关注塔筒大范围开裂导致的结构刚度下降:动力风荷载作用下塔筒破坏(V_(0)=57 m/s)时混凝土受拉开裂单元比例为63.13%,明显高于静风作用下的结果。

地基不均匀沉降对超大型冷却塔结构的影响

钢筋混凝土双曲线自然通风冷却塔在国内外已广泛应用,地基不均匀沉降对冷却塔结构的影响是很复杂的,我国《工业循环水冷却设计规范》并未明确其具体的分析计算原则和方法,系统地研究地基不均匀沉降对超大型冷却塔结构的影响是很有意义的。使用ANSYS有限元分析软件对某1 000 MW核电项目超大型冷却塔结构进行有限元数值分析,重点分析冷却塔结构在三种典型不均匀沉降情况下的内力变化,并在此基础上进行强度配筋计算。研究发现不均匀沉降对环基和支柱的影响很大,对壳体的影响主要集中在进风口附近,半塔倾斜和两侧沉降是相对不利的沉降模式。该研究结果可为超大型冷却塔在应对地基不均匀沉降方面的设计提供参考。

滨海环境下某双曲线冷却塔检测鉴定与混凝土损伤、钢筋锈蚀原因分析

滨海大气环境中存在的氯离子等腐蚀介质,对混凝土材料存在较大的不利影响,从而引起使用方对冷却塔安全性及使用性的担忧。本文针对位于滨海环境下的某双曲线冷却塔进行了多个技术项目的检测,对结构混凝土损伤及钢筋锈蚀情况进行评估和分析,并根据检测结果建立了冷却塔有限元模型进行承载力计算,结果表明:该冷却塔安全性基本满足要求,使用性不满足要求,应对其进行修复处理。其相关方法和程序可为类似混凝土冷却塔工程检测鉴定提供参考。

双曲线冷却塔爆破拆除数值模拟研究

利用LS-DYNA对北京京丰热电厂95m高钢筋混凝土双曲线冷却塔爆破拆除进行模拟分析,建立3种不同爆破切口角的有限元模型,研究切口角度对冷却塔影响,分析了正常的切口角度(234°)下冷却塔倒塌机理.研究结果表明,较小的切口角度(210°)会造成冷却塔在倒塌过程中屈曲失稳,而较大切口角度(250°)时会造成支撑部位提前破坏,易出现后坐现象,两者均不利于倒塌的控制.

大型冷却塔结构的等效静力风荷载

采用刚性模型风洞同步多点测压试验获取非定常激励向量,并结合POD(经验模式分解)技术进行预测与重构处理,然后基于结构动力方程推导出仅广义共振模态位移和弹性恢复力协方差矩阵,再通过准静力分析方法计算出结构的共振和背景分量,最后通过线性三分量组合方法得到结构总的等效静风荷载.本文方法完全考虑了各共振模态间的耦合效应,且物理意义明确,从理论上适用于任意复杂结构的ESWL(等效静风荷载)计算.以国内已建成的亚洲最高、最大的冷却塔——宁海电厂超大型冷却塔为例,进行了该塔的风致响应和ESWL的计算,得出了一些对工程设计有益的结论,并验证了本文方法的有效性.

强风作用下大型双曲冷却塔风致振动参数分析

基于作者已提出的大型冷却塔风振计算方法(一致耦合法),结合风洞测压试验获得的表面气动力模式,分析了结构本身因素和外界干扰对强风作用下冷却塔结构风致振动的影响,对不同动力特性及阻尼比的冷却塔模型进行了风振响应背景、共振、耦合项及风振系数的精细化数值计算,对比并初步探索了周边干扰下大型冷却塔的风振机理.发现了特征尺寸、阻尼比和周边干扰对冷却塔风振响应的影响规律,为进一步理解冷却塔结构风致振动现象,避免不利共振的产生及采取相应的控制措施提供了有益的结果.

大型双曲冷却塔平均风荷载的数值模拟研究

对双曲冷却塔的平均风荷载进行CFD数值模拟,获得冷却塔内外表面的三维流场特性和各高度截面的平均风压系数分布曲线,并与以往文献的实测数据和风洞试验结果进行比较,以验证数值模拟的准确性。根据内外表面的风速矢量图,描述冷却塔内外流体的流动特征,发现旋涡的存在使风压分布趋于均匀的规律。并分析塔底的边缘效应及其对冷却塔内外表面风压的影响。讨论现行设计规范在外压的三维效应和内外压的共同作用等方面的不完善之处,给出部分改进建议和冷却塔外表面、内表面和内外表面压差的风压系数等压图,以供设计参考。

冷却塔爆破拆除失稳机制与变形破坏特征研究

冷却塔为高耸薄壁结构,爆破拆除失稳机制复杂。依托H 70 m钢筋混凝土冷却塔爆破拆工程,通过多点无线高清摄像观测、支撑区动应变监测等手段,研究了冷却塔爆破拆除失稳过程中塔体的变形破坏特征和支撑区人字柱的应力演变机制。研究结果表明:切口区人字柱爆破时,首先产生向上的脉冲荷载,脉冲荷载沿塔壁传向支撑区人字柱,使其首先承受动态拉伸荷载;随后,支撑区人字柱首先整体向下压缩,然后发生回弹震荡;重力矩重新分配后,靠近切口区的人字柱承受应变率为10^(-3)/s^10^(-2)/s量级的动态附加压应力,人字柱与圈梁连接点产生压剪破坏;随着人字柱破坏范围的扩大,塔体转动轴逐渐后移,支撑区后部人字柱最终在圈梁节点处发生弯折破坏。

冷却塔筒壁初始几何缺陷的分析计算及处理

某座钢筋混凝土双曲线型冷却塔由于施工不当,筒壁出现局部凹凸,双曲线局部失形。采用有限元法对该冷却塔进行了内力分析和强度验算,分析了筒壁出现这些初始几何缺陷对冷却塔受力的影响,并提出了合理可行的结构加固方案,使其花费少量的资金加固后,确保冷却塔能安全运行。

双曲薄壳冷却塔气弹模型的等效梁格方法和实验研究

双曲薄壳冷却塔振型复杂、群塔干扰及风振效应突出,风洞试验中常采用连续介质薄壳材料模拟冷却塔气弹模型缩尺刚度。鉴于该方法气弹模型设计和加工的特点,在实际工程应用中存在多方面不足。针对存在的问题,提出了双曲薄壳冷却塔气弹模型等效梁格设计方法,推导了梁格法冷却塔气弹模型缩尺刚度计算公式,建议了冷却塔缩尺模型模拟原型结构高雷诺数条件下表面绕流Reynolds数和Strouhal数效应修正和验证办法。设计加工1∶200比例等效梁格冷却塔气弹模型,在同济大学TJ-3风洞中,进行了冷却塔单塔测振风洞试验,在模型频率、振型、气动力参数模拟,风振系数分布和试验易操作性方面均取得良好的较果,较好地避免了传统连续介质模型设计方法的不足。

子午向几何缺陷冷却塔的结构性能分析

钢筋混凝土双曲线冷却塔由于施工误差、混凝土长期徐变或收缩将产生不同程度的几何缺陷.为了解子午向几何缺陷对双曲线冷却塔结构性能的影响,采用有限元分析软件ANSYS对产生缺陷前、后2种模型进行各种工况下的计算对比,分析该缺陷对结构动力特性、静力特性及稳定性的影响.计算结果表明,子午向的几何缺陷提高了结构的水平抗侧刚度,提高了一阶振动频率,减小了结构在水平荷载下的变形;在风荷载或自重作用下,缺陷部位均发生应力集中现象.荷载组合后的计算结果表明,环向轴力和子午向弯矩增大,而环向弯矩和子午向轴力变化较小;缺陷对温度作用下结构的性能几乎没有影响.按规范进行的稳定分析表明,缺陷极大地降低了塔筒的局部稳定安全系数.但是特征值屈曲分析表明,在塔筒喉部半径缩小后,在水平荷载作用下的屈曲系数有所提高,而在竖向荷载下的屈曲系数有所降低,双曲线形状的改变对塔筒在不同方向荷载下的屈曲具有不同的影响效果.

卸荷槽对冷却塔拆除爆破的数值模拟研究

为了研究卸荷槽对冷却塔拆除爆破的作用及影响。以黔北某发电厂冷却塔为背景,根据冷却塔双曲线薄壁型的结构特点,从力学角度分析冷却塔的倒塌条件和倒塌机理,运用ANSYA/LS-DYNA数值模拟的方法研究卸荷槽在冷却塔拆除爆破过程中所起的作用。分析不同数目卸荷槽下冷却塔的切口形成、闭合、扭曲变形、触底破碎的整个过程,以及不同宽度、不同高度的卸荷槽对冷却塔的倒塌位移、倒塌速度、塌落振动、爆堆宽度的影响。研究结果表明:不同宽度卸荷槽不会改变冷却塔运动趋势;适量的卸荷槽数目和高度能够改变冷却塔倒塌中的运动状态、促进塔体解体、缩短倒塌时间以及降低爆破振动所造成的危害,有效地提高冷却塔的爆破效果。

超大型冷却塔随机风振响应分析

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．

初始缺陷对超大型双曲冷却塔极限承载力的影响

施工误差、材料性能不均匀等不可控制因素必然导致冷却塔结构具有一定的初始缺陷,本文主要研究了初始缺陷对冷却塔结构弹塑极限承载力的影响.通过弹性屈曲分析和自振特性分析,获得冷却塔结构的屈曲模态及振型,进而将结构初始缺陷视为由模态贡献系数调制的确定性函数(正交模态)的线性组合形式,在考虑材料非线性的前提下,采用修正的弧长法分析结构的弹塑性极限承载力.算例结果表明:冷却塔对振型初始缺陷构形较屈曲模态缺陷构型更为敏感,该方法可以有效地寻求结构初始缺陷的最不利分布形式,适用于大型工程结构的初始缺陷分析.

双曲冷却塔的脉动风荷载模拟和风致响应

采用线性滤波法中的自回归模型(AR)法对冷却塔表面空间相关的多点脉动风压时程进行模拟,分析脉动风压在时域和频域上的分布特征,发现准定常假设不够准确.同时采用有限元方法对冷却塔的自振频率分布和模态特征进行讨论,发现冷却塔的自振频率较为密集,前40阶自振频率为1.0～2.2Hz.通过冷却塔在脉动风压作用下的瞬态响应分析,得到冷却塔各响应的时域和频域特征,描述响应中的背景分量和共振分量的分布特点,并探讨AR法中采样间隔的合理取值.通过对有限元瞬态分析的结果分析指出,风致位移响应在塔身颈部附近达到最大,Mises应力响应则在塔底附近达到最大值.