考虑材料非线性的RC双曲冷却塔风致破坏过程

为明确RC双曲冷却塔的极限静风荷载及其风致破坏过程,以一座大型冷却塔为例,采用ABAQUS中分层壳单元模拟塔筒的混凝土和双向钢筋网,在线性计算和非线性计算验证的基础上,采用弥撒开裂模型和双线性模型模拟混凝土和钢筋的非线性受力特征,分析了自重+风荷载(工况Ⅰ)和自重+冬温+风荷载(工况Ⅱ)两种工况下的静风破坏过程,并结合荷载位移曲线、内力、应变和应力的发展和分布探究了其破坏机理。结果表明:对于工况Ⅰ,风荷载系数为λ=1.384时,首先在迎风子午线相对高度h_s/H_s=0.37位置因子午向受拉出现环向裂缝且为贯通裂缝,之后整个迎风区的环向裂缝不断增加并沿环向扩展,迎风区内表面和侧风区外表面也因环向弯矩而出现子午向裂缝,开裂位置的钢筋应力迅速增加,荷载-位移曲线也由线性进入非线性并且迎风区和侧风区位移迅速增加,迎风区和侧风区内力也表现出明显的重分布特征,最后因混凝土持续开裂和喉部区域双向钢筋屈服而破坏,极限风荷载系数为λ=2.007;对于工况Ⅱ,温度效应的计入使λ=1.0时即在侧风区上部首先出现子午向裂缝,子午向裂缝开展也较工况Ⅰ略严重,但因温度的弯矩效应有限,其荷载位移曲线和工况Ⅰ基本一致,且仍以迎风区环向开裂最为显著,结构破坏依然由风荷载控制,最终的极限荷载荷载系数为λ=1.842。     

等效静风荷载下超大型冷却塔受力性能分析

首先概述了某超大型冷却塔群塔内外表面测压风洞试验结果,结合表面压力极值分布关系、多塔比例系数和风振系数描述了冷却塔等效风荷载作用特点。采用有限元计算方法,分析了冷却塔在重现期设计风速作用下内力及变形分布,验算了冷却塔筒体局部弹性稳定性。考虑冷却塔混凝土材料及几何非线性,初步探讨了冷却塔在静风荷载作用下的极限承载力。分析过程着重比较了内压效应、外表面极值荷载分布模式、端部效应、风剖面幂指数、多塔干扰效应对于冷却塔的影响。     

下击暴流作用下超大型冷却塔风场驱动机理与风荷载极值模型EI北大核心CSCD

风荷载是超大型冷却塔结构设计的控制荷载,现行规范风压分布模型均针对良态风气候,缺乏下击暴流等特异风作用下的风场作用机理与风荷载分布模型。首先,采用冲击射流模型和大涡模拟(large eddy simulation,LES)技术模拟下击暴流三维非定常风场,分析了涡环运动、风速变化等风场特性;然后,以内蒙金山电厂228m世界最高冷却塔为例,揭示了处于风场不同径向位置处超大型冷却塔流场特性、风压系数瞬态分布,以及升/阻力系数分布特征;最后,与规范良态风作用下的考虑极值风效应的包络风压进行对比分析。研究表明:下击暴流发生过程中会产生一系列径向移动、反向旋转的气流涡环,各径向位置处风速随之呈现波动变化趋势;涡环撞击塔筒在迎风区外表面和背风区内表面形成高压区,在塔筒内部和背风面尾流区形成漩涡;塔筒内、外表面时程风压系数脉动趋势明显,底部区域受涡环影响震荡显著;冷却塔升力系数基本为0,层平均阻力系数自塔顶沿塔高方向逐渐增大,在塔底达到最大值;涡环对冷却塔的冲击作用极有可能引起瞬时极值风荷载超出规范良态风限值,进而易引起结构的破坏。     

活性粉末混凝土拱极限承载力试验研究

进行了两根活性粉末混凝土(RPC)模型拱的L/4处单点加载的面内受力全过程试验,建立了考虑材料与几何双重非线性的有限元模型,有限元计算结果与试验结果吻合良好。通过与普通混凝土(RC)模型拱的受力性能的比较,对RPC模型拱荷载-竖直位移曲线、裂缝开展情况、截面应变和结构破坏模式等方面进行了分析。试验与有限元计算结果表明,RPC拱受力过程和破坏模式与RC拱相似,分为弹性阶段、裂缝开展阶段和钢筋屈服阶段,最终因出现4个塑性铰形成机构而呈塑性破坏,其极限承载力也可用极限分析法进行简化计算。RPC拱由于其材料性能优越,使其受力性能优于RC拱,在同级荷载下RPC拱裂缝的宽度约为RC拱的25%~50%;而RPC拱的开裂荷载、钢筋屈服荷载和极限承载力均较RC拱有明显的提高。在极限承载力相同的条件下,RPC拱的截面积与自重可以减小到RC拱的67%左右,表明RPC可有效减轻结构自重,提高拱桥跨越能力。     

一种新型风电塔架结构用双向TMD风致响应减振控制研究

为了减小风荷载作用下风电结构动力响应,提出一种双向调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)并对其减振效果展开研究。采用Davenport脉动风功率谱,模拟陆上风电场的脉动风速。建立顶部集中质量有限元模型和考虑风电结构叶片与塔筒耦合的叶片-塔筒有限元模型,计算两种模型的自振特性,并对安装双向TMD的风电结构的响应进行分析。分析结果表明:该装置具有较好减振效果;在两种不同计算模型下,风电结构塔筒顶部位移、加速度和底部弯矩计算结果及控制效果一致;在叶片-塔筒模型中,由于叶片-塔筒模型中叶素力与轮毂中存在偏心,使得叶片-塔筒模型顶部弯矩相比集中质量模型顶部弯矩较大。     

下击暴流作用下超大型冷却塔倒塌机制与失效准则研究

为研究下击暴流特异风作用下超大型冷却塔响应特征与倒塌机制,以中国西北地区某在建 228 m 世界最高冷却塔为对象,采用分层壳单元法建立结构多尺度有限元模型,基于 LES 方法获得超大型冷却塔在下击暴流作用下三种典型工况处的内外面脉动风压,再结合增量动力分析法分析超大型冷却塔风致倒塌全过程变化规律,提炼超大型冷却塔在下击暴流作用下的倒塌机制,最后构建下击暴流风驱下超大型冷却塔倒塌失效准则。研究表明：下击暴流下塔筒表面风压分布模式与良态风差异显著,超大型冷却塔倒塌机制随下击暴流中心距离增大由内凹机制转换为外掀机制,且当能量失效指标 K≥2 时,超大型冷却塔倒塌破坏。     

考虑压-拉薄膜效应的围框约束RC板极限抗力分

合理估算大变形条件下梁板构件的极限抗力,对工程设计计算具有重要意义。传统的RC （reinforced concrete）板极限抗力一般由小变形条件下的受压薄膜效应得到,然而RC板构件的灾变断裂大部分出现在大挠度阶段,因此考虑压-拉薄膜效应的极限抗力分析尤为重要。该文将RC板从加载到断裂全过程分为板端受压上升段、混凝土开裂下降段和钢筋拉伸上升段,根据正截面抗弯的钢筋混凝土弹塑性模型得到基于受压薄膜效应的荷载-挠度全曲线。利用经典的挠曲线微分方程并引入抗弯刚度软化系数对挠度进行修正,结合能量原理推导出大变形条件下基于受拉薄膜效应的RC板极限抗力,进一步得到考虑压-拉薄膜效应的荷载-挠度全曲线。计算结果表明,考虑压-拉薄膜效应的RC板极限抗力分析方法可以更合理地预测荷载-挠度全过程,计算结果与相关试验吻合良好,为合理评估RC板的极限承载力提供参考。     

考虑压-拉薄膜效应的围框约束RC板极限抗力分析

合理估算大变形条件下梁板构件的极限抗力,对工程设计计算具有重要意义。传统的RC(reinforced concrete)板极限抗力一般由小变形条件下的受压薄膜效应得到,然而RC板构件的灾变断裂大部分出现在大挠度阶段,因此考虑压-拉薄膜效应的极限抗力分析尤为重要。该文将RC板从加载到断裂全过程分为板端受压上升段、混凝土开裂下降段和钢筋拉伸上升段,根据正截面抗弯的钢筋混凝土弹塑性模型得到基于受压薄膜效应的荷载-挠度全曲线。利用经典的挠曲线微分方程并引入抗弯刚度软化系数对挠度进行修正,结合能量原理推导出大变形条件下基于受拉薄膜效应的RC板极限抗力,进一步得到考虑压-拉薄膜效应的荷载-挠度全曲线。计算结果表明,考虑压-拉薄膜效应的RC板极限抗力分析方法可以更合理地预测荷载-挠度全过程,计算结果与相关试验吻合良好,为合理评估RC板的极限承载力提供参考。     

冷却塔群塔风致干扰脉动风压频谱特性与相关性

冷却塔群塔干扰效应研究通常面向塔筒等效静风荷载,缺少群塔组合对于脉动风压干扰特性的研究。该文选取矩形布置的八塔组合为研究对象,对群塔进行刚性模型同步测压风洞试验。基于不同风向角条件塔筒表面的脉动风压时程,研究了测点之间的脉动风压相关性,分析了关键测点风压频谱与环向整体合力频谱的相关性,比较了环向整体阻力(顺风向合力)与升力(横风向合力)的功率谱受扰特性,并基于试验数据给出了关键点风压以及合力的功率谱拟合表达式。频谱分析结果表明:干扰会增大结构敏感区域内的升力功率谱密度取值,由此引起的动力放大效应亟需关注。该文关于脉动风压干扰的研究策略和结论可为类似群体建/构筑物组合气动干扰效应分析提供借鉴思路。     

风力发电塔筒极端动力荷载作用下破坏的对比研究

为了研究和对比风力发电塔筒在极端动力荷载作用(风和地震)下的破坏模式,对于某典型风电塔通过ABAQUS建立考虑土-结构相互作用和叶片建模的精细有限元模型,开展了一系列非线性时程分析。风场由Turbsim软件人工生成,风荷载由风机设计软件FAST计算得到;地震选用适用于硬土场地的典型记录。分析结果表明,塑性铰大部分出现在塔筒几何非连续处,一旦局部全截面塑性铰稳定出现,即面临倒塌。在强风下,风速的能量在风电塔低频分布较高,塔筒受基本模态控制,在底部出现全截面塑性铰和倒塌;在强震下,地震动的能量在风电塔高频也分布较高,塔筒受高阶模态影响,虽然塑性铰首先在底部出现,但全截面塑性铰与倒塌位置在中部或上部,并且不同的天然地震动可能导致不同的倒塌位置。     

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。     

渡桥电厂冷却塔倒塌的塔型因素分析

针对渡桥电厂冷却塔倒塌原因中的塔型因素,建立与之同壁厚、同高度、同筒底直径和相同人字柱的双曲线型冷却塔,分析两者动力特性的差别,比较自重、规范平均风荷载和风洞试验脉动风荷载作用下响应的差异。研究表明:渡桥冷却塔比双曲线型冷却塔的基频低30%;风荷载作用下渡桥冷却塔的径向位移比双曲线型冷却塔大很多,壳体扭曲程度较大;渡桥冷却塔迎风面的子午向薄膜力随塔高减小而迅速增大,最大拉力比双曲线型冷却塔大40%以上。渡桥冷却塔的塔型不如双曲线型合理,塔型不合理是构成渡桥电厂冷却塔倒塌的一个因素。     

台风作用下大型风电结构破坏模式研究

针对沿海风电场及风电结构数量快速增长、结构频遭台风破坏问题,采用不随高度变化的台风脉动风功率谱,基于线性滤波法与竖向相关性简化表达式模拟沿海某风电场台风风场模型,并通过功率谱密度函数验证其准确性。建立风电结构-桩基础耦合有限元模型,计算风电结构在上、下限台风风速条件下动力响应时程,分析极端风况下风电主体结构可能破坏模式。结果表明,塔筒屈服区域集中在塔筒底端约4 m高度范围内,呈锥形分布。塔筒底端与基础预埋环连接处最不利。在上限台风风速条件下,塔顶水平位移超出容许值。两种风速条件下,最不利单桩轴力均未超出限值。该方法可为研究风电结构在极限风况下非线性倒塌奠定重要基础。     

超大型冷却塔风致倒塌全过程数值仿真与受力性能分析

历史上强风作用下大型冷却塔风毁事件多次发生,现有研究关注的重点大多为风致塔筒局部强度超限或失稳破坏,均忽略了由局部损坏引发的整体连续倒塌破坏的后续现象,且难以揭示大型冷却塔风致倒塌过程及作用机制。鉴于此,基于计算流体动力学（CFD）与显式动力分析算法（LS-DYNA）技术提出了大型冷却塔风致倒塌全过程数值仿真模拟方法,并以山西潞安电厂世界最高220 m超大型冷却塔为例,建立了考虑材料非线性塔筒-支柱三维有限元模型,并分析了结构动力特性;基于显示动力时程分析方法,加载基于CFD获得的塔筒三维平均风压进行拟动力分析,数值再现了超大型冷却塔风致倒塌全过程;研究了塔筒应力分布变化规律与倒塌全过程的扭曲变形姿态等特征,提炼出冷却塔风致倒塌的受力特点与作用机制,并讨论了单元失效参数的影响。结果验证了该文数值方法可以有效模拟超大型冷却塔风致倒塌全过程;其倒塌过程始于塔筒喉部迎风面大变形,并在两侧30°范围内呈现褶皱现象,最终因变形不协调而相互牵扯垮塌。研究表明,强风致超大型冷却塔倒塌受力机制可划分为弯拱机制与悬绞线机制,材料模型的单元失效参数对于超大型冷却塔风致倒塌的影响不可忽略。     

双曲冷却塔结构特性新认识

通过动力特性分析和等效静风荷载作用下响应分析,并借鉴简单圆环结构和悬臂结构的结构特性,对双曲冷却塔结构特性进行了阐述。研究发现,作为圆截面高耸空间薄壁结构,双曲冷却塔的静动力结构特性同时体现了简单水平圆环结构和子午向悬臂结构的特点:对于低阶模态,其振型是上下弹性支撑水平圆环结构(条带)和左右弹性支撑子午向悬臂结构(条带)振型的耦合,且频率主要受环向刚度控制;风荷载作用下塔筒位移和内力的环向分布与外表面风压分布模式一致,各荷载效应的最值主要受迎风区和侧风区风压影响并受环向风压分布的不均匀性所控制;子午向轴力的环向分布提供了整体抗倾覆弯矩,因此表现出明显的向下积聚现象,这也是悬臂结构顺风向整体倾覆弯矩的体现,并且这种积聚效应与子午线型有关。     

强风下导线的等效随机静风荷载概率模型

输/配电线路是典型的风振敏感结构，而且导线风荷载往往大于杆塔自身风荷载。结构风荷载常呈现强随机性，合理地考虑这种随机性是输/配电线路抗风设计与风险评估的基础。该文以气弹模型风洞试验为依据，结合随机风振反应基本理论，获得导线等效静风荷载的计算方法；引入强风风场特性参数的随机性，推导并拟合得到导线的等效随机静风荷载概率模型；将建立的随机风荷载概率模型应用于配网结构的可靠度分析中，评估现有配网结构规范设计的可靠度水准。分析结果表明，导线风荷载效应占比大于5%时，按现有配网线路规范设计的构件可靠度指标低于构件呈现二级延性破坏所对应的目标可靠度水平。该文建立的随机风荷载概率模型，考虑了平均风荷载的随机性、脉动风荷载的随机过程性及其对结构的随机动力效应，同时引入了描述脉动风随机过程特性参数的随机性，可应用于强风下输/配电网的抗风设计和风险评估。     

小剪跨比钢筋混凝土墙拉剪性能试验研究

强震作用下,高层建筑中部分剪力墙可能出现拉-剪耦合受力的不利状态。该文完成6个大尺寸钢筋混凝土(RC)矮墙拟静力试验,研究了小剪跨比RC墙拉剪受力下的破坏形态、滞回性能、承载力和刚度。试验结果表明:轴拉力水平不同,RC墙试件出现不同的破坏形态,包括:剪切破坏(竖向钢筋平均拉应力水平n_s=0)、剪切-滑移破坏(n_s=0.23~0.63)和滑移破坏(n_s=0.8~1.0);RC墙试件轴心受拉的开裂荷载试验值为理论计算值的0.6倍~0.7倍,轴心受拉的初始刚度和开裂后刚度试验值与理论计算值接近;轴拉力严重影响RC墙的抗侧承载力,当竖向钢筋平均拉应力水平n_s=0.63和n_s=1.0时,试件的承载力分别比无轴拉试件小54%和76%;轴拉力也导致RC墙的等效抗侧刚度降低,当n_s=0.23~0.63时,试件的等效抗侧刚度为无轴拉试件的0.56倍,仅为其初始刚度理论值的1/10。该文建议了拉剪受力RC墙的等效抗侧刚度计算公式,该公式计算值与剪切-滑移破坏试件的试验结果吻合良好。最后,该文对比了各国规范中拉剪承载力计算公式,美国ACI 318-14规范和欧洲Euro Code8规范均低估了小剪跨比RC墙试件的拉剪承载力,试验值与规范公式计算值之比分别为1.90和2.41;而中国JGJ 3―2010规程的RC墙拉剪承载力公式可能安全度不够。     

剪力墙结构非线性有限元时程分析

本文的动力分析计算模型采用平面等参单元，将钢筋和混凝土作为一个整体单元考虑，钢筋弥散于整个单元内，文中建立了反复荷载下的混凝土及钢筋的应力－应变本构关系模型，模型中反映了钢筋混凝土开裂，屈服，混凝土与钢筋混滑移等非线性特性，采用Ｗｉｌｓｏｎ－θ法对动力方程进行逐步积分，文中运用所建立的模型对带竖缝剪力墙进行了时程分析，所得到的计算结果（包括：开裂，变形，加速度时程，位移时程等）与试验相一致。     

风机塔筒流固耦合分析与受力监测研究

为研究大型风力机塔筒在随机风荷载下的受力和变形特性,用AR法模拟脉动风,基于ABAQUS协同仿真平台对风力机进行流固耦合分析,得到了塔筒的内力和变形,并与常规静力计算结果和实测结果做了相关对比。分析表明:塔筒最大应力出现在底、中段塔筒的连接部位,门洞因洞轴线与主风向垂直并设有门框,其周围未出现明显应力集中;忽略塔身风荷载会对塔筒最大应力控制点的位置造成偏差,考虑脉动风的流固耦合分析所得结果与实测结果接近,可较真实地反映塔筒内力和变形随时间的变化特性。     

考虑叶片旋转效应的风力发电塔架结构风-震耦合响应分析EI北大核心CSCD

中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段,在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此,该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程;基于叶素动量理论,计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷,并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷;基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析;探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明:叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大;风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小,基底应力接近地震单独作用下的基底应力值;地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响,建议在设计时予以考虑。