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双曲线冷却塔地震反应分析

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  摘要:本文首先介绍了冷却塔抗震研究的意义,然后指出了双曲线冷却塔的性能特点,最后阐述了6种双曲线冷却塔地震反应分析方法。
  关键词:双曲线冷却塔;地震反应;分析方法
  中图分类号:P315文献标识码: A
  
  双曲线冷却塔广泛应用于国民经济的许多部门,是电力、石油、化工生产中循环水冷却的重要构筑物之一,其主要功能是完成被冷却介质和冷却介质之间的热交换,也就是热水与空气之间的交换,从而降低循环水的温度。
  冷却塔的材料主要以钢筋混凝土为主,从工程角度而言,冷却塔筒壁是一种壳体结构,壳体的厚度通常只有十几至几十厘米,由塔底向顶部呈现双曲线形状,且板厚并不相同,随塔高变化,这一点与常规的钢筋混凝土结构并不相同,其动力性能特点亦有所特殊。
  随着火电厂建设规模的扩大,高度高、直径大的超大型冷却塔在地震时的安全性要求越来越高,确保冷却塔在地震作用下的可靠性运行成为一项重要的课题,对冷却塔进行抗震设计方面的研究有着必要和现实的意义。
  1冷却塔抗震研究的意义
  冷却塔是多数火电厂的重要组成部分,因而是生命线工程重要结点之一,对冷却塔的抗震性能及地震反应开展研究是一项重要的课题。
  从国外的历次大地震,如我国的海城、唐山地震,日本宫城地震,美国洛马普利塔地震和俄罗斯亚美尼亚地震的震害来看,发电厂中的重要建构筑物(包括冷却塔)都遭到了较为严重的破坏,对整个电网供电造成了极不利的影响。世界上许多国家已经认识到,当前电力设施抗震能力的薄弱环节己经成为亟待解决的问题。有些国家,如日本、美国、智利、法国等都先后制定了本国的电气设备抗震规范,我国也制定了《电力设施抗震设计规范》。
  双曲线冷却塔的结构主体是一种典型的轴对称旋转薄壳结构。世界各国己建的冷却塔大部分是成功的,运行也很正常。1976年我国河北省唐山、丰南一带发生了强烈的地震,这是一次主震-余震型的浅源构造地震,它是我国历史上的破坏较严重的地震,这次地震灾情严重,损失也大,多层民用建筑倒塌的占80%-90%,工业厂房倒塌的占70%-80%,该地区的冷却塔也受到了一定的破坏,唐山开滦煤矿自备-林西电厂的钢筋混凝土横流塔柱子有裂缝,木林水条全部塌落,横梁端部有裂缝。从而人们逐渐认识到,在设计大型冷却塔时,进行地震作用动力计算的重要性。
  从火力发电厂建设规模看,机组的容量愈来愈大,600MW发电机已成为主力机组,而1000MW机组也不断增多。随着电厂机组容量的扩大,直径大、高度高的超大型冷却塔,地震时的安全性要求也越来越高,工程设计中许多问题需要研究和解决。因此,广大科研工作者对火力发电厂冷却塔结构抗震性能研究的关注也多了一些,冷却塔要抵抗强烈地震,应该有恰当的设防标准,较好的结构抗震体系,合理的基本设计参数,有效的抗震构造措施等。综上所述,对火电厂冷却塔结构进行抗震方面的研究有着必要和现实的意义。
  2双曲线冷却塔的性能特点
  2.1降温效果好,冷效长期稳定
  由于热水与冷风在雾状条件下进行热交换,并且是用上喷的方式,水滴在上升和下落过程中均能与冷风传质,延长了热交换路程,因而本塔具有良好的降温效果。
  该冷却塔不存在填料堵塞和风机损坏的问题。喷雾装置运行可靠,喷嘴直径较大不易堵塞,淋水筛网清洗方便,因此长期运行冷却效果稳定。
  2.2结构简单、维修方便、维修费用低、使用寿命长
  填料塔清洗更换填料工作量大,更换全部填料需要5~7天。而喷雾装置节约了需定时更换、清洗、维护、除垢等费用,增加了有效生产时间,保证了生产工艺系统长期高效运行。
  2.3运行费用低、节能效果显著
  省去了动力风机。节约水处理费用,加上其突出的降温效果,其节能意义显而易见。
  2.4噪音低
  冷却塔取消了电动风机的噪音源,本身的噪音很小,其噪音主要来源于淋水声。由于喷雾装置采用低压上喷的方式,水滴在空气中于重力作用下自由下落,相当于重力的淋水,因此淋水声低,一般在60 dB以下。
  3双曲线冷却塔地震反应分析方法
  3.1拟静力法
  19世纪末20世纪初,由日本学者提出了拟静力方法,即把结构看成是刚体,并刚接于地面。这样根据地面最大水平加速度算出结构所受到的最大惯性力,并以此作为等效静力进行结构的地震响应分析。
  但是这种方法忽略了地面运动的频谱特性,对于高耸和复杂的现代建筑来说,其计算的精度已不能满足现阶段的要求。此外,由于将结构看成是刚体,对结构地震下的应力分布也难以求出。随着地震学、地震工程领域研究的日益发展以及计算机性能的快速提高,拟静力方法已逐步由反应谱法取代。
  3.2反应谱法
  根据振动分析,多质点体系的振动可以分解成各个振型的组合,而每一振型又是对应于一个广义的单自由度体系,利用反应谱便可以得出每一振型水平地震作用,经过内力分解计算出每一振型相应的结构内力,按照一定的方法进行各振型的内力组合。该方法考虑了多个振型的影响,计算精度较高,但该方法是利用反应谱得出每一振型的地震反应,以静力方式进行结构分析,所以属于拟静力法的范畴。
  加速度反应谱是现行抗震设计规范中用以反映地震作用的最主要参数。反应谱理论考虑了结构动力特性与地震动力特性之间的动力关系,通过反应谱来计算由结构动力特性(自振周期、振型和阻尼)所产生的共振效应。反应谱方法的特点是理论比较成熟,计算简单。
  3.3时程分析法
  时程分析法也称直接动力法,在数学上又称逐步积分法。顾名思义,是由初始状态开始一步步积分直到地震作用终了,求出结构在地震作用下从静止到振动以至到达最终状态的全过程。它与底部剪力法和振型分解反应谱法的最大差别是能计算结构和构件在每个时刻的地震反应,如内力和变形。当用此法进行计算时,将地震波作为输入。一般而言地震波的峰值应反映建筑物所在地区的烈度,而其频谱组成反映场地的卓越周期和动力特性。当地震波的作用较为强烈以至结构某些部位强度达到屈服进入塑性时,时程分析法通过构件刚度的变化可求出弹塑性阶段的结构内力与变形。这时结构薄弱层间位移可能达到最大值,从而造成结构的破坏,直至倒塌。
  作为高层建筑和重要结构抗震设计的一种补充计算,采用时程分析法的主要目的在于检验反应谱法的计算结果、弥补反应谱法的不足和进行反应谱法无法做到的结构非弹性地震反应分析。因此,时程分析法的主要功能有:
  1)校正由于采用反应谱法振型分解和组合求解结构内力和位移时的误差。特别是对于周期达几秒以上的建筑,由于设计反应谱在长周期段的人为调整以及计算中对高阶振型的影响估计不足产生的误差。
  2)可以计算结构在非弹性阶段的地震反应,对结构进行大震作用下的变形验算,从而确定结构的薄弱层和薄弱部位,以便采取适当的构造措施。
  3)可以计算结构和各结构构件在地震作用下每个时刻的地震反应(内力和变形),提供按内力包络值配筋和按地震作用过程每个时刻的内力配筋最大值进行配筋这两种方式。
  总的来说,时程分析法具有许多优点,它的计算结果能更真实地反映结构的地震反应,从而能更精确细致地暴露结构的薄弱部位。但是时程分析也有缺点,对计算机的性能要求较高;如果模型的单元数量较多,分析耗时,计算工作量大。
  3.4振型时程分析法
  振型分解时程法先要进行振型分解,然后将解耦得到的若干单自由度体系运用时程方法解出单自由度的地震响应,再用振型参与系数进行组合得到整个结构的地震响应。得到单自由度的地震响应,即可由振型参与系数对所取的若干阶振型相应的广义单自由度的地震响应进行组合,进而得到结构的地震响应过程。振型分解时程分析法是一个高效的算法,但是应该注意的是,使用时要取足够的参与振型数。另外这种方法对非线性体系是不能适应的。
  振型分解时程法的分析步骤:1)确定计算模型;2)建立有限元模型;3)获得模态解; 4)扩展模态;5)计算各个振型的单自由度的地震响应;6)组合单自由度的地震响应;7)得出结果。
  3.5随机分析法
  由于振动的随机性和复杂性,结构的地震过程也应该是随机而复杂的,因此只能求得结构地震反应的统计特征,或者求得具有统计概率意义上的最大反应,这一方法从随机观点处理了反应超过定值的概率,使抗震设计从安全系数法过渡到了概率理论的分部系数法,它属于结构地震反应分析的非确定性分析法。
  3.6能量分析法
  地震作用下,地震振动的能量输入到结构,要转换成结构的应变能而耗散地震动的能量。该方法就是分析这种能量的转换关系或直接比较能量的输入与耗散,以结构在地震中的变形、强度和能量吸收能力作为衡量标准,按允许耗能状态进行设计,控制结构的变形和强度。用能量耗散性质可以反应结构的地震非弹性反应能量耗散的全过程,既反映了结构的变形,又表达了地震反复作用的次数即强震的持续时间,从而能反应地震的累积破坏。
  该方法的优点就在于它包括了力和变形两个方面的问题,是力和变形的综合度。同时,对地面运动的敏感性也较小,输入地震波的性质变化对能量反应不如对变形的影响大,这是一种很有发展前途的方法。
  
  参考文献:
  [1]曹资,薛素铎,空间结构抗震理论与设计[M],北京:科学出版社,2006
  [2]柯世堂.多点输入下球面网壳结构地震响应研究[J].山东建筑大学学报,2009.24 [3]钟香兰.冷却塔结构强度及稳定性三维有限元计算分析[J].山西建筑,2010 36

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