超大型冷却塔隔震与长周期地震动的影响范文

笔者认为超大型冷却塔结构属于大跨度空间薄壳结构，虽然对其应用隔震技术的可行性与有效性进行了验证，但在实际工程结构中还未真正应用。因此对于隔震方案的设计与优化还存在很大的研究空间。另一方面长周期地震动包含的内容还要很多，对结构的影响也可以从更多的方面展开进行，有许多问题有待深入研究。

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及研究意义
我国作为当今世界上最大的发展中国家，随着经济的高速发展以及城镇化、工业化进程的逐步加快，对能源的需求也不断增长。据 2010 年国际能源署所发布的报告《世界能源展望》中[1]指出，在 2009 年我国就已经超越美国成为了世界上最大的能源消费国家。然而，人均占有率低、分布不均，并且能源的供应结构不合理以及利用率低，再加上环境压力大成为了我国能源资源存在的问题。为了让我国能源的供应有一个长期有效的保证，并且让其对大气的污染排放减小，核能作为一种优质清洁的绿色能源，必将成为不可或缺的替代能源[47]。对核电的发展不仅能够改善我们国家的能源结构，对保障能源的安全以及经济安全也有积极有效的作用。同时还有利于保护我们人类赖以生存的自然环境。一部由国家发展改革委员会制定的《国家核电发展专题规划（2005-2020 年）》文案[2]中指出，要有效积极的推进核电的建设，让其从“适当发展”向“积极发展转变”，并且提高核电所占的比重，最大可能的赶上世界核电的先进水平。
核能发电是科技的进步同时也是一把双刃剑，它既能让人类获得清洁的能源，但同样也有可能因为事故的发生从而造成灾难性的后果[46]。2011 年 3 月 11 日，由地震引发的海啸导致了日本福岛核电厂的爆炸，从而引起了核泄露。因为自然灾害使结构发生破坏，并引发的次生灾害所带来的人民生命财产的损失已经远远超过了地震和海啸本身，这样一些可能造成社会恐慌的灾难性事件引起了全世界对于核电安全的高度重视。各个国家都应该从这次核事故中得到教训，让核电厂的安全标准有一个全面的提高，尤其是在面对极端自然灾害时，要提高核电厂的应对能力，让核能真正成为一种既清洁可靠又安全的能源[3]。
..........................

1.2 超大型冷却塔研究现状
1.2.1 冷却塔结构的受力分析方法
作为研究分析的工具，冷却塔结构的分析方法主要分为 3 个阶段，包括：早期的无矩理论、有矩理论和目前已成为主流的有限单元法（包括在此基础上进行的二次开发）[6][8]。
罗比锡[32]在 1953 年提出了无矩理论，即考虑壁厚变化的双曲线旋转壳体的薄膜理论，该理论假定壳体上的应力在厚度方向上的分布是均匀的，并在壳体平衡方程中忽略了弯矩和横向剪力的影响，而只有轴向力的作用[9]。尽管该理论的解答只能作为问题的近似解，具体在应用时需要进行计算结果的修正，但因为其方便手算，因此，在很长的一段时间内无矩理论广泛应用于双曲线冷却塔的应力分析中。
在 1958 年，有矩理论由弗拉索夫[33]提出（即旋转壳弯曲理论），由于该理论考虑了壳体截面上的剪力和弯矩，所以在计算结果的合理性上比无矩理论好，但其因为计算时需要求解微分方程，因此需要借助计算机。不过随着计算机技术的发展，在冷却塔的分析中有矩理论逐渐得到了更广泛的应用[10][11]。
在我国，关于冷却塔结构的分析方法也在进行着不断的发展。在 1973 年以前[34]，基于旋转壳的无矩理论被广泛的应用在冷却塔的结构分析中。1973 年，北京大学武际可[12]采用了基于直法线的薄壳有矩理论，在离散化格式上采用了高精度的旋转壳元，并在后来分别完成了旋转壳的BS、BSD 两个静力、动力分析程序，在此之后这两个程序也成为了计算冷却塔主要使用的程序[48]。
随着有限单元法理论的不断发展和完善，对冷却塔的分析方法中有限元法成为了主流的分析方法[35]。ANSYS、ABAQUS 等大型通用商业软件在冷却塔结构分析中已经成为了常规工具[13][14]。同时，为了结合不同的工程实际，更好的满足设计需求，国内的科研院所以及设计院又相继对通用有限元软件进行了二次开发，编制了针对不同工况的专用冷却塔结构分析软件，这些软件针对性强并且简单实用，能够很大程度上推进和提高冷却塔的设计水平[16]。
.............................

第二章 冷却塔隔震初步设计

2.1 冷却塔结构特点
冷却塔是大型发电站的散热装备，是用水作为循环冷却剂，从系统中吸收热量排放至大气中，以散去工业上或制冷空调中产生的余热的装置[45]。自然通风冷却塔能够节约大量能源，因而应用广泛。它是一种空间薄壁型的高耸结构，并且随着发电站规模的不断增大，冷却塔的高度和体型也在不断的发展。《火力发电厂水工设计规范》[29]（DLT5339-2018）规定淋水面积大于 10000m2，塔高大于 160m 即为超大型冷却塔。冷却塔主要由通风筒、支柱、环型基础组成。其中支柱主要有人字形、V 字型、X 字型三种，通风筒是一种典型的轴对称旋转双曲线薄壳结构，它可以分为下环梁、下部壳体、喉口、上环梁四个部分，其中下环梁为通风筒与支柱接触处部分的筒体，通风筒的自重及所承受的其它荷载都通过下环梁传递给支柱，再传到基础。喉口是通风筒筒体最窄的部位，通常厚度也是筒体中最薄的地方，上环梁则为通风筒最上面部分的筒体。是筒壳在顶部的加强箍，它加强了筒壳顶部的刚度、保证了稳定性。
本论文所研究冷却塔结构总高度 180 米，下部支柱高度 20 米，上部通风筒高度 160米。上环梁直径 93 米，喉口宽度 90 米，下环梁直径 130 米。通风筒为变截面设计，其中下环梁厚度达到 1.6 米，通风筒喉口附近为最薄区域，最小厚度为 0.36 米。冷却塔有48 对 V 型支柱，结构总质量 64762.4t。冷却塔结构示意图如图 2-1，几何尺寸见图 2-2所示。

............................

2.2 隔震初步设计
本冷却塔位于我国东部某沿海地区，隔震设计基本参数为：抗震设防烈度 8 度，设计基本地震加速度为 0.2g；设计地震分组为第Ⅱ组，场地类别为二类，场地特征周期0.4s；设防地震下地震影响系数αmax=0.45，罕遇地震下地震影响系数αmax=0.9。
在确定了隔震支座的直径后可以对隔震支座的基本参数进行初步设计，设计过程如下：支座直径 2000mm；橡胶层数为 35 层，橡胶层厚度为 12mm，则橡胶层总厚度为420mm；薄钢板层数为 34 层，薄钢板厚度为 6mm，则薄钢板总厚度为 204mm；封钢板厚度设为 60mm；铅芯直径为 400mm。由设计的隔震支座基本参数可以计算支座面积为 3141592.6 mm2，支座总高为 744mm，中孔面积为 125663.7 mm2。另外已知隔震支座基本性能参数有：剪切模量 0.392 MP，橡胶硬度修正系数 k=0.9，支座基准面压 10MP，橡胶标准弹性模量 E0=1.5，橡胶体积约束弹性模量 Ev=2040。
根据支座参数和以上计算公式得到设防地震时隔震前地震影响系数为 0.336，隔震后地震影响系数为 0.05，减震系数为 0.15；罕遇地震时隔震前地震影响系数为 0.67，隔震后地震影响系数为 0.10，减震系数为 0.14.根据底部剪力法计算得设防地震下隔震前的水平地震作用为 217420.43KN；隔震后的水平地震作用为 32530.62KN。
............................

第三章 基于 SAP2000 的冷却塔隔震设计.............................25
3.1 引言....................................25
3.2 超大型冷却塔有限元模拟方法 ...................25
第四章 隔震和非隔震冷却塔结构地震反应对比分析.........................47
4.1 隔震后冷却塔模态分析................47
4.2 加速度响应对比 ...................51
第五章 长周期地震动对隔震后冷却塔的影响...........................67
5.1 长周期地震动的特性....................67
5.2 长周期地震波选取.......................67

第六章 基于 LS-DYNA 的冷却塔结构响应分析

6.1 冷却塔仿真分析有限元模型介绍
显式动力分析有限元软件LS-DYNA 在工程结构动力分析领域有广泛的应用。LS-DYNA 具有多种非线性材料模型、多种接触模型，对于结构涉及各种高度非线性问题的动力过程求解可以得到较为满意的结果。并且李毅已经通过冷却塔缩尺模型试验验证了冷却塔数值模型的正确性和数值仿真计算结果的合理性。其数值模型既适用于结构在连续状态下的非线性分析，也适用于结构在非连续状态下的倒塌分析。LS-DYNA软件具有强大的几何非线性（大位移、大转角和大材料应变）、具有丰富广泛的材料库（囊括140多种材料模型，如常用的弹性、弹塑性、混凝土、刚性体，和一些高级材料等，并都可以考虑材料的失效、损伤、粘性、螺变、温度敏感、应变率敏感等相关特质）和自定义材料功能；共提供16种单元模型。以显式为主，并有隐式求解静力学功能；以结构分析为主，兼有热分析、流一固体结构耦合等功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能（如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算）。可以求解地震下非线性问题。LS-DYNA冷却塔如图6-1所示；结构信息见表6-1；

.....................

第七章 结论与展望

7.1 结论
本章首先对冷却塔结构的特点进行了简单的介绍，接着结合一个高 180 米的超大型冷却塔结构进行说明。在对结构的基本信息进行了解后结合设计参数进行隔震的初步设计，在隔震设计中先根据隔震支座的竖向承载力确定支座直径，在确保罕遇地震时支座位移满足规范的条件下设计了直径为 2 米的铅芯隔震橡胶支座，并接着进行支座基本参数的设计，根据支座的基本参数计算出隔震支座的完整参数，最后对罕遇地震下隔震支座的位移进行校核，验算结果表明直径 2 米的隔震支座满足规范设计要求。在完成隔震支座的初步设计后进行风荷载的验算，即验算风荷载产生的水平力是否小于结构总重力的 10%和隔震层的屈服力。在计算风荷载时参考《工业循环水冷却设计规范》进行。本章在对风荷载的计算时采用了简化的计算方法，即将壳体划分为若干个计算单元，将每个单元的风荷载求出后累加计算出总的风荷载。最终验算总的风荷载为 25481.17KN，结构总重力为 647624KN，小于结构总重力的 10%；隔震层屈服力为 51270.72KN，也小于隔震层屈服力。因此满足《建筑抗震设计规范》第 12.1.3 条对结构采用隔震设计的基本要求。
接着应用 SAP2000 建立了超大型冷却塔的有限元数值分析模型，冷却塔模型的高度达到了 180 米，总质量为 64762.4 吨，48 对支柱采用的是 V 型截面。采用 SAP2000中的框架单元模拟冷却塔支柱，分层壳单元模拟上部通风筒壳体。在建模时，冷却塔支柱采用自定义截面的形式，截面形状为边长 0.8 米的正六边形。上部的通风筒壳体通过定义竖向不同高度坐标的壳体厚度来实现变截面的设计。在进行冷却塔的时程分析计算时，对所选取地震波按照最新的《建筑隔震设计标准》进行了验算，包括地震波加速度时程曲线在对应于隔震结构主要振型对应周期点附近时，每条地震波记录对应的反应谱与设计反应谱的谱值的偏差所允许的值，以及对冷却塔结构进行反应谱法和时程分析法进行设防烈度下的计算后，对基底剪力结果进行的验算结果均满足规范要求。
参考文献（略）