强风作用下大型双曲冷却塔风致振动参数研究

1、强风作用下大型双曲冷却塔风致振动参数研究基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51208254)；江苏省自然科学基金资助项目(bk2012390)； 博士后科研基金资助项目(2013m530255； 1202006b)；南航 科研专项资助项目(nn2012024； 56yah12010)；江苏高校优 势学科建设工程资助项目作者简介：柯世堂(1982-),安徽池州人，南京航空航 天大学讲师，博士摘要：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

2、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.关键词：参数分析；大型双曲冷却塔；风洞试验；风致 振动；一致耦合法随着我国冷却塔建设日趋高大化，结构风致振动安全性 问题已成为制约超大型冷却塔实现跨越式发展而亟待突破 的瓶颈而现有冷却塔设计的相关规范和各大设计研究机构 的相关资料已不能满足其设计需要，急需开展相关研究补充 工程建设的需要自从1965年11月英国渡桥电厂8座高11

3、5 in的冷却塔 群中处于背风口的3座塔在5年一遇的风速中倒塌，国际上 开展了对冷却塔的抗风研究工作，一直持续到20世纪90年 代末而我国对于冷却塔结构风工程的研究始于1983年北京 大学孙天风教授对于茂名冷却塔的表面风压实测工作主要 涉及到的研究领域有：冷却塔结构表面风荷载分布特征、群 塔干扰特性、结构随机风振响应、等效静力风荷载这些研究 成果较好地指导了超大型冷却塔的工程设计和建设事实上，冷却塔的风振响应取决于结构的动力特性和外 部荷载激励，例如结构特征尺寸和阻尼比的变化会影响平 均、背景和共振响应的大小，或对风振系数的数值和分布特 征产生影响，且当存在周边干扰时，结构风振机理会更加复 杂

4、而国内外现有研究中较少涉及冷却塔风振的参数分析鉴 于此，本文基于作者已提出的大型冷却塔风振计算方法，结 合风洞测压试验获得的表面气动力模式，分析了各种因素对 强风作用下冷却塔结构风致振动的影响，最终归纳并探索各 参数对风振响应的影响机理1风振计算方法研究表明，大型冷却塔结构风致振动具有多荷载形态、多振型参与和多耦合效应3个特征，传统的完全二次型方法 不能全面准确地分析其作用机理，而采用背景和共振分开求 解的三分量法忽略了背景和共振之间的交叉项因此，作者于 2011年提出了考虑完全背景、共振及背景和共振模态之间交 叉项的一致耦合方法（简称ccm）来求解强耦合柔性结构风 振响应和等效静力风荷载，并

5、成功应用于国内多座大型冷却 塔（高度$165 m）和大跨度空间结构风振分析图1给出了 ccm方法的计算流程图，限于篇幅及主题，不再重复介绍， 具体推理过程可详见文献9和102结构基频的影响21算例说明考虑到规范只给出了针对165 m以下的冷却塔风振系数 值，而在建或将建的冷却塔很多已远远超出这一高度，有必 要针对不同高度冷却塔的风振响应特征进行比较研究一般来说，冷却塔髙度越大结构越柔，相应地基频越低 鉴于此，本节给出了 3个不同特征尺寸的国内外电站实际冷 却塔工程项目，均在同济大学tj3风洞进行了刚体测压试验, 详细的风洞试验介绍分别见文献5, 9和11,计算加 载的风荷载气动力模式均为各个塔

6、型对应的非定常激励，结 构的基本参数如下算例1塔顶高度为155 m,塔顶直径为73 m,喉部高度 为119 m,喉部直径为68 m,进风口高度为106 m,直径为 114 m,人字柱采用46对直径为11 m的圆柱结构基频为092 hz.算例2塔顶高度为177 m,塔顶直径为86 m,喉部高度 为75 m,喉部直径为133 m,进风口高度为135 m,直径为 122 m,人字柱采用48对直径为13 m的圆柱结构基频为082 hz.算例3塔顶高度为215 m,喉部高度为160 m,零米高 度处直径170 m,淋水面积达18 300 m2,人字柱采用48对 直径为18 m的圆柱结构基频为068 hz

7、22参数分析表1列出了 3个算例典型节点风振响应各分量及总脉动 风振响应、峰值因子和风振系数其中风振系数的计算公式 为：式中：t为最大值相应的时距，我国荷载规范规定平均 风的时距为10 min,因此t取600 s, y为欧拉常数，通常 取0577 2, v为水平跨越数1）随着塔高的不断增大，结构的基频逐渐减小，尽管 壳体的壁厚在增大、混凝土强度在提髙，但从整个结构体系 来看愈发轻、柔，其引起脉动风振响应也在增大，且在平均 响应较大的结点处其增幅稍大于平均响应的增幅2）从脉动响应的一栏中可发现，对于基频较低的超大 塔来说，共振响应占明显的主导地位，背景和交叉项影响相 对较弱而随着结构基频的增大，

8、尽管脉动响应还是以共振 分量为主，但背景响应所占的比重逐渐增大，说明对于基频 较低的冷却塔结构来说，风荷载的准静力贡献更加突出，高 阶模态的背景响应不能忽略3）随着基频的降低，表中列出的4个结点处其风振系 数变化范围也不相同，例如下部结点1中的风振系数变化幅 度要大于结点4分析其原因是：由于结构基频的降低必然会 增大风振响应的动力放大作用，从而使得脉动风振响应的增 量大于平均响应的增量，但从另一个角度看，基频的降低伴 随着结构的环向和子午向尺寸的增大，这样导致表面脉动风 荷载的空间相关性减小，使得风振响应的增幅相对降低这样 两个因素对风振响应的影响正好相反，从而导致了结构的基 频变化时某些节点

9、风振系数的改变较小当然本文仅是给出 了几个典型节点的对比结果，至于其他塔型的更多节点的风 振系数变化幅度则需要具体研究 3阻尼比的影响大型冷却塔结构的风振响应以共振分量为主，而阻尼比 显著影响共振分量和交叉项分量的大小，其对平均响应和背 景响应均没有影响，因此势必影响总风振响应和风振系数鉴 于此，本小节采用不同的阻尼比进行计算，分析其对算例3 的风振响应影响需要注意的是：在文中的等值线图中x轴表 示环向变化角度，其定义0°为迎风点，顺时针旋转定义为 负值，逆时针旋转为正值；y轴表示子午向变化高度考虑到冷却塔是典型的钢筋混凝土结构，其阻尼比的取 值范围为0%5%,在这里分别取001,

10、002, 0035和005, 其他计算参数不变图2和图3给出了不同阻尼比下整个壳体 结构的共振响应和交叉项响应的等值线分布图经对比分析，可得如下结论：1）随着阻尼比的变大，结构的共振响应数值明显减小, 其峰值从94 mm降到45 mm,这是由于超大塔结构的风振响 应中共振分量占主导地位，但是在子午向高度和环向断面上 的响应分布特征基本一致，说明激发共振响应的主导模态没 有改变2）对于交叉项响应来说，阻尼比的改变并没有给其分 布特征和数值带来明显的变化，这一现象说明结构的交叉项 响应分量与阻尼比的联系较弱，更多的是与结构的基频、振 型以及荷载的模式相关表2中给出了典型结点的共振、交叉项、总脉动响

11、应和 风振系数可以发现，随着阻尼比的增大，结点的总脉动风振 响应都有较大幅度的降低，而结构的平均响应不变，这就必 然导致结构的风振系数变小4周边干扰的影响需要说明的是，本小节对于周边干扰的影响分析仅针对 干扰的存在对结构风振响应各脉动分量的数值、子午向和环 向分布特征的改变，并不具体去研究周边干扰物的存在类型 考虑到干扰的影响使得迎风点、负压极值区和背风区并不明 确，因此无法像单塔那样给出具体的环向区域划分，故主要 对比分析整个壳体结构的脉动风振响应分布特征，如图4所 示对比分析单塔工况和周边干扰下脉动风振响应各分量 的等值线分布图，可知存在干扰时，壳体结构背景和共振响 应的数值明显增大，其中

12、共振分量的增幅更加显著，峰值从 64 mm增大到82 mm,增幅为28%,而相比之下背景分量的增 幅仅为10%,说明干扰物的存在极大地增加了结构的动力放 大效应，其准静力贡献的那部分增加的幅度较小，因此在实 际工程中一定要考虑其周边干扰物的布置形式及对其进行 优化5结论影响冷却塔结构风振响应数值和分布特性的因素从本 质上可分为两类：一是结构本身因素，包括结构基频（如塔 高、壁厚、直径、进风口高度等）、阻尼比；二是周边建筑 物的干扰效应具体分析结论如下：1）干扰效应对脉动风振响应的数值大小影响最大，明 显增大了共振分量所占的比重，其增幅达到28%,而相对来 说背景分量的增幅仅为10%2）随着结构

13、基频的减小，平均和脉动响应均逐渐增大, 其中脉动响应的增幅要大于平均响应，并且共振响应所占的 比重也越来越大，背景响应所占比重逐渐减小另一方面，基 频的降低伴随着结构的环向和子午向尺寸的增大，这样导致 表面脉动风荷载的空间相关性减小，使得风振响应的增幅相 对降低，这两个因素对风振响应的影响正好相反，进而导致 结构基频变化时某些结点的风振系数改变并不明显这一结 论仅是针对本文3种塔型的4个典型结点，不是整体分析所 得结论，具体到其它工程需进行具体分析3) 随着阻尼比的变大，结构的共振响应数值明显减小, 其峰值从94 mm降至45 mm,这是由于超大塔结构的风振响 应中共振分量占主导地位，但是在子

14、午向高度和环向断面上 的响应分布特征基本一致，说明激发共振响应的主导模态没 有改变参考文献1 niemann h j, kopper h d influence of adjacentbuildings on wind effects on cooling towersj engineering structures, 1998,20 (10)：874-880.2 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 (6)： 177-184liu ruofei, shen guohui, sun bingnan numerical simulation study

15、of wind load on large hyperbolic cooling towerj engineering mechanics, 2006, 23 (6)：177-184 (in chinese)3 zhao lin, ge yaojun aerodynamic and aeroelasticmodel tests of the highest cooling towers in chinac/proceedingsof 12thinternationalconference on wind engineering cairns, australia, 2007：935-9424

16、orlando m windinduced interference effects ontwo adjacent cooling towers j engineering structures, 2001,23：979-9925 柯世堂，葛耀君基于气弹试验大型冷却塔结构风 致干扰特性分析j湖南大学学报：自然科学版，2010, 37(11)： 11-18ke shitang, ge yaojun research on characters of windinduced interference for large cooling towers based on aeroelastic tes

17、tj journal of hunan university： natural sciences, 2010, 37 (11 )： 11-18 (in chinese)6witasse r, georgin j f,reynouard j m nuclear cooling tower submitted to shrinkage： behavior under weight and windj nuclear engineering and design, 2002,21 (7)：247-2577 鲍侃袁大型双曲冷却塔的风荷载和风致响应理论 分析与试验研究d杭州：浙江大学建筑工程学院，200

18、9bao kanyuan theory analysis and test research of wind loads and wind induced response for large cooling towersd hangzhou： college of civil engineering and architecture, zhejiang university, 2009 (in chinese)8 柯世堂，葛耀君，赵林，等大型冷却塔结构的 等效静力风荷载j同济大学学报：自然科学版，2011, 39(8)： 1132-1137ke shitang, ge yaojun, zhao lin, et al equivale nt static wind loadings of large cooling towersj journal of tongji university： natural sciences,2011,39(8)： 1132-1137 (in chinese)9 柯世堂大型冷却塔结构风效应和等效风荷载研究 d上海：同济大学土木工程学院，2011ke shitang wind effects and equivalent static wind loads of lar