直筒-锥段型钢结构冷却塔平均风荷载及静风响应分析

发布时间：2019-07-11 08:05

【摘要】：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。
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图片说明：附属桁架及与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，主要结论可为此类超大型钢结构冷却塔的抗风设计提供参考依据。1动力特性分析1．1工程简介及有限元建模该大型钢结构冷却塔整体塔高189m，由主筒、加强桁架和附属桁架组成，主要构件信息如表1所示。为便于表达，将主筒、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)四种结构形式对应的计算模型分别简称为模型一、模型二、模型三和模型四。采用大型通用软件ANSYS进行四种模型的有限元建模，分别如图1所示，所有杆件均采用BEAM188单元，主筒底部斜杆与地面固接，模型二中加强桁架外围节点与主筒对应节点共用，模型三中附属桁架上部和下部分别与主筒和地面铰接，模型四中附属桁架上部和下部分别与主筒和地面固接。表1大型钢结构冷却塔构件信息列表Tab．1Thestructureinformationoflargecoolingtowerforsteelstructure结构信息结构组成主筒加强桁架附属桁架钢材等级Q345Q345Q235B半径/m50．542．572．25数量18层5层30榀构成杆件斜杆、横杆横杆、腹杆、支撑腹杆、斜杆、横杆图1钢结构冷却塔有限元模型示意图Fig．1Thefiniteelementmodelofcoolingtowerforsteelstructure1．2动力特性分析考虑到表面蒙皮的重量会对后续模态和静风响应分析造成一定影响，通过增大密度的方法考虑其附加质量，将钢的密度乘以1．15的系数后作为钢结构冷却塔的等效密度［13］。图2和图3分别给出了四组钢结构冷却塔模型基阶和第50阶典型振型图。由图可见，，模型一振型复杂且变形较大，并呈现出明显的三维特征，环向和竖向谐波数随振型阶数的增大而增多;增设加强桁架使得模型环向和竖向变形约束明显;由于附属桁架每榀之
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图片说明： 1Thestructureinformationoflargecoolingtowerforsteelstructure结构信息结构组成主筒加强桁架附属桁架钢材等级Q345Q345Q235B半径/m50．542．572．25数量18层5层30榀构成杆件斜杆、横杆横杆、腹杆、支撑腹杆、斜杆、横杆图1钢结构冷却塔有限元模型示意图Fig．1Thefiniteelementmodelofcoolingtowerforsteelstructure1．2动力特性分析考虑到表面蒙皮的重量会对后续模态和静风响应分析造成一定影响，通过增大密度的方法考虑其附加质量，将钢的密度乘以1．15的系数后作为钢结构冷却塔的等效密度［13］。图2和图3分别给出了四组钢结构冷却塔模型基阶和第50阶典型振型图。由图可见，模型一振型复杂且变形较大，并呈现出明显的三维特征，环向和竖向谐波数随振型阶数的增大而增多;增设加强桁架使得模型环向和竖向变形约束明显;由于附属桁架每榀之间的联系横杆刚度较弱，使得模型三和模型四的主要变形明显从主筒转移到附属桁架，其表现为附属桁架的环向扭转，且固接相对铰接变形略校图2四种不同模型基阶振型示意图Fig．2Thefirststepvibrationchartoffourmodels150振动与冲击2017年第36卷
【作者单位】：南京航空航天大学土木工程系;广东省电力设计研究院有限公司土木工程技术部;
【基金】：国家自然科学基金(51208254) 中央高校基本科研业务费专项资金资助(NS2016019) 中国博士后科学基金(2013M530255;1202006B) 江苏省优秀青年基金(BK20160083)
【分类号】：TU391

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