直筒-锥段型钢结构冷却塔平均风荷载及静风响应分析

作为一种新颖的典型风敏感结构,直筒-锥段型钢结构冷却塔的动力特性和风致受力性能亟待研究。以国内拟建的某超大型钢结构冷却塔(189 m)为例,基于有限元方法分别建立主筒、主筒+加强桁架、主筒+加强桁架+附属桁架(铰接)、主筒+加强桁架+附属桁架(固接)四种钢结构冷却塔模型,并对比分析其动力特性及传力路径;然后基于计算流体动力学(CFD)技术进行直筒-锥段型冷却塔表面平均风荷载数值模拟,有分别加载规范和数值模拟风压对四种模型进行风致响应分析,对比研究增设加强桁架、附属桁架及与主筒和地面不同连接方式对直筒-锥段型钢结构冷却塔动力特性和静风响应的影响。主要研究结论可为我国此类超大型钢结构冷却塔的结构选型和抗风设计提供依据。

考虑风速和雨强组合风-雨双向作用下直筒-锥段型钢结构冷却塔内压作用研究

作为一种新颖的直筒-锥段型钢结构冷却塔,独特的结构形式导致塔筒内表面气动力分布与传统双曲线型混凝土冷却塔明显不同;尤其在强风暴雨极端气候条件下,暴雨亦会直接影响内表面气动力并改变脉动风的湍流效应,而传统研究大多仅关注风驱动雨对于结构表面的冲击效应。为解决该问题,针对国内某在建189 m高新型直筒-锥段型钢结构冷却塔,以风-雨双向耦合算法为核心,基于CFD数值模拟采用连续相和离散相模型分别进行风场和雨滴模拟。在此基础上,研究不同风速和雨强的9种组合对塔筒内表面风驱雨量、雨滴附加作用力和等效内压系数的影响规律,揭示风-雨双向耦合作用下塔筒内部风场速度流线、湍动能强度、雨滴运行速度和轨迹的作用机理,提炼出不同风速和雨强组合的最不利工况及其内压系数分布特性。

基于大涡模拟超大直筒-锥段型钢结构冷却塔极值风压研究

以国内拟建的首座超大直筒-锥段型钢结构冷却塔(189 m)为例,通过大涡模拟法获得其表面三维气动力时程和周边流场分布形态,并与国内外实测及风洞试验结果对比验证了数值模拟结果的有效性。在此基础上,基于三种典型风压极值算法(峰值因子法、改进峰值因子法和Sadek-Simiu法)对比分析了此类钢结构冷却塔表面峰值因子和风压极值的分布规律,并基于非线性最小二乘法分别给出了直筒和锥段部分的风压极值一维/二维拟合公式及取值建议;研究表明:直筒-锥段型钢结构冷却塔负压极值区和分离区附近风荷载呈现明显的非高斯特性,基于高斯分布假定的峰值因子法计算得出的极值风压数值偏小;锥段和直筒段背风面极值风压均大于规范取值,锥段迎风面和侧风面极值风压与水工规范极值接近,而直筒段迎风面和侧风面极值风压与荷载规范极值接近;所提出的风压极值拟合公式可以包络直筒和锥段的实际风压极值,最大误差<10%。研究结论可为此类钢结构冷却塔风荷载设计取值提供参考。

超大直筒-锥段型钢结构冷却塔内压效应

基于计算流体力学方法(CFD)对某在建亚洲最高(189 m)超大直筒-锥段型钢结构冷却塔进行数值风洞模拟,提出直筒和锥段典型断面处表面绕流和尾迹特性,同时分析直筒和锥段内表面平均风荷载分布特性,并给出相应的体型系数拟合公式。基于有限元方法对超大直筒-锥段型钢结构冷却塔分别进行3种工况(内压作用、外压作用、内外压共同作用)下的静风响应分析,研究内压效应对超大型直筒-锥段钢结构冷却塔的主筒、加强桁架和附属桁架三部分结构风致响应的影响规律。研究结果表明:锥段内表面体型系数在迎风面与直筒段数值相近,其他部位偏离较大;内压效应对结构负向位移、主筒负压极值区的横杆轴力、附属桁架横杆轴力及上部加强桁架支撑轴力影响相对较大。

一种新型直筒-锥段型钢结构冷却塔气动性能的LES数值分析

作为一种外形新颖的典型风敏感结构,直筒-锥段型钢结构冷却塔表面风荷载随机分布特性亟待研究。以国内拟建最高的某新型直筒-锥段型钢结构冷却塔(塔高189 m)为例,采用大涡模拟(Large eddy simulation,LES)方法对其进行风场数值模拟,获取了直筒和锥段两部分结构的外表面三维气动力时程。将平均和脉动风压系数分别与相关规范及国内外冷却塔实测及风洞试验结果进行对比,验证了数值模拟方法的有效性。进而提炼出此类直筒-锥段型钢结构冷却塔外表面平均、脉动和极值风荷载以及阻力系数等气动参数分布规律。最终给出了此类新型的直筒-锥段型钢结构冷却塔结构平均和极值风压估算公式及其分布曲线。

考虑几何及材料非线性直筒-锥段型钢结构冷却塔风致稳定性能研究

作为一种新颖的风敏感结构,直筒-锥段型钢结构冷却塔曲面形状和动力特性复杂、结构柔性和风致效应明显增大,整体稳定性能是其结构设计的瓶颈之一,尤其是结构几何、材料非线性及其高阶振型的影响。本文采用CFD技术数值模拟获得钢结构冷却塔表面风荷载分布模式,基于ANSYS软件建立主筒+加强桁架+附属桁架(铰接)耦合的一体化钢结构冷却塔有限元模型,以不同特征值屈曲模态作为初始几何缺陷分布形式,并基于几何及材料双重非线性有限元方法,系统研究了此类钢结构冷却塔在不同风速下低阶和高阶模态的稳定性能,涉及分歧失稳形态、极值失稳形态、临界失稳风速和静风响应。研究表明:考虑几何及材料双重非线性下钢结构冷却塔临界屈曲承载力下降;基阶屈曲波形相对较小,对几何初始缺陷不敏感;随着风速的增大,附属桁架最先发生失稳屈曲,然后依次为加强桁架和主筒。几何初始缺陷系数及阶数的改变对失稳临界风速影响较小,但随着阶数的增加,非线性分析过程中的变形趋势由附属桁架逐渐转移到主筒。所得主要结论可为此类新型钢结构冷却塔的抗风稳定性验算提供参考。

基于大涡模拟直筒-锥段型钢结构冷却塔风压非高斯特性研究

为研究直筒-锥段型钢结构冷却塔表面脉动风压非高斯特性,并对非高斯特性的形成机理进行分析。以国内拟建的首座超大直筒-锥段型钢结构冷却塔（189 m）为例,采用大涡模拟（LES）方法对其进行了数值风洞试验,得到其表面流场特性和压力时程,并通过与国内外大型冷却塔实测及风洞试验结果对比验证了数值模拟结果的有效性。基于典型测点概率密度分布曲线和空间相关性,对具有非高斯分布特性的局部区域给出判断标准,并从非高斯特性的形成与分离流动及涡旋运动相关性入手,揭示了非高斯风压的形成机理。研究表明：负压极值点至分离点区域内锥段和直筒段表面风压呈非高斯分布,锥段背风区风压也明显呈非高斯分布,而直筒段背风区大多测点呈高斯分布特征。

直筒-锥段型钢结构冷却塔的设计方法研究

提出一种直筒-锥段型钢结构冷却塔,并选取了混凝土冷却塔作为参照进行了比选研究,验证了钢结构冷却塔在技术上的可实现性和结构的可靠性,其成本和工期均较混凝土冷却塔少。为便于计算和工程应用,依据推导所得出的四边角钢格构式构件轴向、抗弯、剪切和抗扭刚度等计算式,针对性地提出了箱型薄壁单元的等效代换原理和计算方法,同时引出了相关系数对刚度进行修正,再利用有限元作进一步校核。研究发现,所提出的截面刚度等效代换精度较高,可满足工程精度需求。通过引入轴力负刚度,得到适用于一般空间结构的计算长度系数算式。

直筒锥段型钢塔塔筒流场及内阻力研究

本文通过数值模型(数模)研究和分析了直筒锥段型钢结构冷却塔塔筒段流场特点,并探讨了直筒锥段型钢结构冷却塔内阻力计算方法。结合风洞物理模型(物模)试验,定性评价了塔内结构构件对塔筒内阻力的影响。数模计算及物模试验结果表明,冷却塔塔筒段阻力值相对较小,在整个冷却系统中所占比例不大。直筒锥段型钢结构冷却塔阻力计算可沿用双曲线冷却塔的阻力计算方法,塔的总阻力计算时建议增加一项塔筒内阻力。蒙皮内置的直筒锥段型钢结构冷却塔塔筒内阻力可采用本文的速度突变构件局阻计算公式进行估算。蒙皮外置的直筒锥段型钢结构冷却塔塔筒内阻力相对较大,可参考本文研究结论或根据具体项目数模或物模研究结果确定。

超大型钢结构空冷塔的施工过程分析研究

2018年建成的内蒙古锡林浩特钢结构空冷塔,塔高180m,塔底直径154. 3m,为目前世界最高的钢结构空冷塔。本文以该塔为例,对超大型直筒-锥段型钢结构空冷塔采用塔吊吊装的施工方法进行了简述,对施工过程分析中的荷载取值、塔吊附着、变形控制、承载力验算、层杆件环向不闭合、施工过程中的安全控制措施等关键问题进行了较为详细的介绍,为今后该类钢塔的施工过程分析工作提供了参考。