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。     

基于反应谱方法的双曲冷却塔地震响应特征分析

为明确冷却塔结构的振型特征、不同振型在地震响应中贡献及地震内力环向分布特点,便于冷却塔结构设计,以某大型双曲冷却塔为例,在动力特性分析基础上采用反应谱方法进行地震响应计算,并与其它荷载作用下内力进行对比。研究表明,冷却塔振型可据其形状、方向分为环向与子午向谐波耦合振型、侧向弯曲振型、竖向伸缩振型及竖向扭转振型4类。第1类振型为冷却塔主振型;水平、竖向地震响应贡献分别来自第2、3类振型,第1、4类振型对地震作用均无贡献。侧弯振型的截面变形特征决定水平地震作用下塔筒内力在环向呈正弦或余弦分布。无论水平或竖向地震作用,塔筒中主要产生双向轴力,在下支柱主要产生轴力及弯矩,且水平地震作用产生的内力远大于竖向地震。较其它荷载作用效应,地震作用对塔筒的关键效应为塔筒中下区段内子午向拉力及塔筒顶端0.2HS范围内环向拉力,且地震效应对下支柱影响明显大于对塔筒影响。     

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。     

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。     

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。     

超大型冷却塔施工全过程风致稳定性能演化规律研究

现有冷却塔风致稳定性研究均忽略了施工期的影响,以国内某在建210 m高超大型冷却塔为对象,综合考虑工程进度与计算精度建立八个冷却塔施工全过程三维实体模型。采用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法获得了施工期冷却塔三维气动力时程,将成塔风压与规范及国内外现有实测曲线对比验证了数值模拟的有效性。在此基础上,提出了与施工进度实时演化的以子午向轴力为目标下冷却塔施工期风振系数差异取值,结合规范与有限元方法分析了成塔结构整体与局部稳定性,系统探讨了风振系数、混凝土龄期、施工载荷、几何非线性和内吸力对于施工全过程冷却塔屈曲稳定和极限承载能力的影响规律。主要结论为进一步理解施工全过程冷却塔风致稳定性能的演化规律、避免施工期风致破坏提供科学参考。     

冷却塔风振效应特征及影响因素分析

为深入理解冷却塔风振响应特征及其影响因素,通过动力计算获取风振响应并分析各内力的风振特征,尤其关注背景和共振分量σ_B,σ_R在总脉动响应σ中的贡献;另外,调整阻尼比ζ、风速取值V和风压子午向相关性等参数,探究其对内力脉动响应的影响幅度并分析其影响机理。结果表明:各内力σ_B和σ_R的耦合性极小,可以忽略;σ_R对σ的贡献随位置和响应而变化,忽略σ_R时,塔筒中下区段双向轴力的σ下降约10%,在顶部下降约20%～30%,环向弯矩的σ在整个塔筒高度都下降约20%～30%;随ζ的增加,各响应的σ_R显著下降且可由公式近似计算,但因各内力σ_R对σ的贡献权重有限,随ζ增加时σ的下降并不显著,尤其是双向轴力;通过调整风速V发现,σ_R与V~3成正比;子午向相关性主要是通过σ_B而影响σ,故主要对双向轴力的σ有影响,但子午向相关性的提高使F_Y的σ有所增加但使F_X的σ有所减小。结合结构配筋设计可知,子午向的共振效应可以忽略,而环向的共振效应不可忽略。     

带圆弓形脱空缺陷的钢管混凝土构件在压弯扭复合受力作用下的滞回性能试验研究

为研究圆弓形脱空缺陷对钢管混凝土试件在压弯扭复合受力作用下抗震性能的影响,进行了16个钢管混凝土试件（包括8个带脱空缺陷试件、6个无脱空试件和2个空钢管对比试件）在恒定轴压力和反复弯扭耦合荷载作用下的滞回试验,主要试验参数为:脱空率、轴压比和弯扭比。基于试验结果,考察了脱空缺陷对钢管混凝土压弯扭试件破坏模态、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、耗能能力和应变发展等的影响,结果表明:圆弓形脱空缺陷对钢管混凝土试件滞回曲线的形状影响不大,但会导致其达到极限荷载后的强化段刚度有所降低。试件的承载力、刚度和耗能能力均随着脱空率的增大而有所降低。变化轴压比对带缺陷试件的力学性能影响并不显著,而随着弯扭比的增大,脱空缺陷对试件极限承载力、刚度和耗能能力的影响有趋于显著的趋势,表明相较于受扭作用,脱空对钢管混凝土受弯性能的影响更为显著。     

反复水平荷载作用下偏心常轴压箱形钢柱抗震性能的数值分析

建立考虑材料非线性、几何非线性、几何初始缺陷、残余应力影响的有限元模型,对反复水平荷载作用下偏心常轴压箱形钢柱的受力性能进行模拟分析。通过与相关试验结果的比较,验证了有限元模型的正确性。在此基础上,对85个箱形构件进行数值分析,研究反复水平荷载作用下常偏压箱形钢柱的抗震性能。研究结果表明,腹板宽厚比是影响构件抗震性能的最主要因素,腹板宽厚比越大,构件的刚度、承载力退化越严重,延性越差。对于中等长细比的构件,当轴压比较小时,构件的抗震性能受整体失稳、局部屈曲和塑性变形的相互影响;但当轴压比较大时,整体失稳将起控制作用。柱顶弯矩使构件的骨架曲线发生平移,但柱顶弯矩对构件抗震性能的影响相对较小。根据有限元计算结果,回归出反复荷载作用下偏心常轴压箱形钢柱可承受的最大柱顶剪力和位移延性系数的拟合公式。     

多跨覆冰导线脱冰振动模型风洞试验研究

覆冰导线脱冰可能造成金具、导线和杆塔等构件受力破坏,也可能会引起导线闪络、烧断等电力事故。设计了1∶50的三跨覆冰导线的缩尺模型,采用熔断集中荷载的方法模拟导线脱冰,共七种工况研究三跨导线中脱冰量、脱冰跨位置、覆冰厚度和风速等参数不同时,导线的冰跳高度、导线张力和绝缘子轴力变化规律。结果表明:边跨脱冰将引起比中间跨脱冰更大的竖向振动,跳跃高度增大了近7%,导线张力也有明显增大;在风荷载作用时,导线脱冰振动会受气动阻尼影响,跳跃高度和振动周期都有所减小,导线张力和悬垂绝缘子的轴力随着风荷载增大而增大。     

拱形跨越管线边值问题的数值解

以圆弧拱跨越长输管线为研究对象,考虑当存在内压、温度、风载荷及自重时的非平面弹性大变形问题,以Kirchhoff理论为基础,考虑中心线的拉伸变形及变形的非线性,通过打靶法求出管道力学特性的非平面边值问题的数值解,绘出了内力与变形沿管长的分布,并与只考虑线性小变形用力法得到的内力结果进行比较,发现当存在较大位移时,用力法计算的在主坐标系内的x方向的剪力与弯矩远比精确值要小,而z向的轴力与扭矩及y向的弯矩比精确值要大。此结果可对长输管线的设计提供理论依据。     

扰流板对分离泡诱导下平屋盖表面风荷载的影响研究

通过风洞测压试验,研究对比了设置扰流板前后,分离泡诱导下平屋盖表面风压特性的变化;基于此,分析了扰流板作用机理,并给出了扰流板的推荐倾角.研究了平屋盖表面风压分布及统计值的变化,结果表明:设置扰流板后,除迎风前缘附近,屋面平均和脉动风压均减小;分离区内风压偏度和峰度值显著降低,非高斯脉动特性减弱.探讨了扰流板对于顺风向...     

弹性曲梁几何非线性精确模型及其数值解

基于直法线假设,采用轴线可伸长梁的几何非线性理论,建立了弹性曲梁在任意荷载(保守和非保守)作用下的静态大变形数学模型。其中包含了轴线弧长、轴线位移、横截面转角、内力等七个独立未知函数。通过引进变形后的弧长为未知函数,使得问题的求解区间为未变形梁的轴线长度。该模型不仅考虑了轴线伸长,同时精确地考虑了梁的初始曲率对变形的影响以及轴向变形与弯曲变形之间的相互耦合效应。作为应用,采用打靶法计算了悬臂半圆形曲梁在沿轴线均布的切向随动载荷作用下的非线性平面弯曲问题,给出了随载荷参数大范围变化的平衡路径曲线及平衡构形。     

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。     

一种计算指定截面内力影响线的简便方法

利用功的互等原理和局部坐标系下梁单元的刚度方程,推导建立了一种用矩阵位移法计算杆系结构指定截面内力影响线的简便而统一的方法。按照这种方法,只须在结构上施加一组虚拟荷载,进行一次静力求解即可得到指定截面的内力影响线。这种方法特别适用于大型杆系结构指定截面内力影响线的计算。     

超高层建筑等效静力风荷载的反演法

该文根据刚性模型测压风洞试验结果,给出了确定等效静力风荷载的反演法,其中,位移等效静力风荷载是在已知最终位移的基础上,运用虚拟广义坐标的概念,根据线性最小二乘法进行反推,而内力等效静力风荷载则在最终截面内力已知的基础上,根据悬臂梁静力平衡法进行反推。值得注意的是,计算等效静力风荷载所需的最终响应是根据完全二次型组合方法(CQC)求出的,不再分成背景分量和共振分量,而且还可以考虑多振型的耦合。以陆家嘴X3-2 地块办公楼为例进行刚性模型测压风洞试验,根据反演法计算出位移等效静力风荷载和内力等效静力风荷载,然后由静力法求出最终响应,通过与CQC法直接计算的结果对比来说明其有效性。     

基于影响面的混凝土浇筑期施工荷载研究

绝大多数模板支撑体系的坍塌事故发生在混凝土浇筑期,浇筑期内施工荷载所占比例大大提高,从统计意义上看这些施工荷载不具备均布荷载的分布特点。该文将二维结构影响线的概念推广到三维模板支撑体系,采用机动法给出了模板支架立杆轴力影响面的表达式,分析了影响面的特点,给出了荷载作用效应正负区域的等效影响面高度。在对工地调研的基础上,依据立杆轴力影响面的特点和调研数据,提出混凝土荷载、施工活荷载和大型布料设备荷载的标准值。研究成果可填补我国相关设计规范的空白。     

几何参数表达的压杆挠曲线方程的解析与应用

几何参数表达的压杆挠曲线方程可以由二力杆弯曲平衡的欧拉曲线与二力杆的直线平衡状态下的变形表达式叠加而成。与挠曲线的叠加相对应,压杆的荷载也可以分解为分别作用在二力杆上的轴力与弯矩的组合及轴力与剪力的组合。将上述解析原理及压杆挠曲线方程应用到几何非线性分析和屈曲问题中,定义为解析方法,是对几何非线性问题提出的一种新解法。该文给出了解析方法的应用实例,说明无剪力条件下可以获得简洁公式。