表面风压分布对冷却塔风致响应和局部稳定性的影响

针对规范和风洞试验作用下冷却塔的风荷载和风致响应差异进行研究,对比中、英、德三国规范给出的冷却塔平均风压分布系数,以某冷却塔为例比较试验和规范的风荷载差异,建立"塔筒-支柱-环基-桩"的冷却塔一体化有限元模型,进行不同的表面风压分布对冷却塔风致响应和局部稳定性的影响研究。研究表明:风洞试验得到的平均风压分布系数在顶部和底部存在三维流分布;规范和试验风荷载作用下冷却塔各响应的最值情况各有差异,其中对于人字柱和桩基轴力风洞试验的计算结果最大;中、英、德规范计算的局部稳定性系数非常接近,风洞试验结果总体上大于规范结果,其最小值比规范结果大37.8%。     

基于配筋率包络指标的冷却塔群塔风致干扰准则

风荷载条件冷却塔群塔干扰效应为结构设计关键控制因素。为考虑群塔条件绕流形态改变引起的复杂三维风压分布形式及数值大小变化对结构内力及配筋的影响,现行国内外水工行业规范采用单一的群塔比例系数放大无干扰圆柱扰流简化的二维风压分布。为评价其精度、合理性和经济性,该项研究以某超大型冷却塔六塔典型布置为例,基于风洞试验、结构有限元分析和结构设计配筋方案,选择干扰效应表现明显的代表性受扰塔作为研究对象,分析了塔筒不同高度处的平均风压分布规律并与单塔结果作对比;计算了其在16个风向角20种设计荷载组合下的塔筒子午向外侧、子午向内侧、环向外侧、环向内侧理论配筋量并将其包络线与单塔结果作对比,提出基于配筋包络的沿塔筒高度变化的分项群塔比例系数用于工程实践。研究表明:基于水工荷载规范建议的单一群塔系数难于涵盖干扰效应导致的复杂三维风压分布变化,推荐沿塔高变化的分项比例系数可以兼顾结构设计过程的便捷、经济和合理性。     

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。     

超大型冷却塔施工全过程风振响应及风振系数演化规律研究

现有冷却塔规范仅给出了成塔单一风振系数取值,完全忽略了施工过程中混凝土材料和结构性能的实时演化。以国内某在建210 m世界最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,基于大涡模拟(LES)技术获得了施工全过程冷却塔三维气动力时程,将成塔表面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,采用完全瞬态时域方法对比分析了冷却塔施工全过程塔顶位移、子午向轴力及环向弯矩等典型响应风振实时变化特性,并基于三种典型目标和五种取值方法系统探讨了超大型冷却塔施工全过程风振系数沿高度和环向角度的演化规律,最终首次拟合给出了超大型冷却塔施工全过程随高度变化的风振系数计算公式。研究结论可为进一步理解施工全过程冷却塔风振响应的演化规律和风振系数差异化取值提供科学参考。     

大型冷却塔表面风压分布特性的试验研究

为研究冷却塔壁面粗糙度对其绕流特性的影响,该文采用在冷却塔壳外表面粘贴均匀粗糙度壁纸的方法,对某115 m双曲冷却塔1∶150的刚性模型进行风洞测压试验。通过喉部位置风压曲线与规范曲线的吻合程度确定合适粗糙度的壁纸,之后在该目标粗糙度下,对整个模型表面的风压分布特性进行细致研究。结果表明:沿冷却塔子午线方向,平均风压最大负压值出现在喉部位置;阻力系数的大小超出了规范值,并呈现出两端大中间小的特征;同时冷却塔上下两端的平均和脉动风压分布均表现出显著的三维效应,因此进行冷却塔抗风设计时,有必要对端部进行重点加固。     

考虑内部构件影响的超大型冷却塔内压系数研究

对具有不同内部构件的超大型双曲冷却塔的内表面平均风压进行了CFD数值模拟。在计算流体动力学软件基础上进行二次开发,通过采用施加源项的方法,实现了对超大型冷却塔空塔及有十字挡板、填料及雨区阻力时的内表面平均风压分布的模拟;研究了冷却塔内部各主要构件对冷却塔内压的影响,得到了各工况下塔内外的绕流特性以及不同高度截面的内表面平均压力系数,并从机理上分析了内压曲线分布特性;研究结果与规范及试验结果吻合良好,指出了我国规范对内表面压力系数的取值不完善之处,得到了内压的建议取值,为超大型冷却塔的设计提供参考依据     

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。     

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。     

非线性振型结构HFFB试验模态力计算方法及不确定性分析

基于高频测力天平风洞试验对非线性振型结构的风致响应提出了改进的评估方法。假设结构风荷载沿高度的分布与阵风风压分布相同,采用结构真实振型计算风荷载模态力。推导了高耸结构风荷载模态力及风致响应计算公式,可以考虑结构多阶真实振型,从而使高频测力天平方法可更为准确地评估非线性振型结构的风致响应及等效静力风荷载。对某一质量、刚度有突变的高耸结构进行了高频测力天平风洞试验,与现有的线性化振型法进行对比,结果表明在弱非线性振型下,线性化振型法得到的加速度响应较层荷载假设方法偏大约40%。研究了层荷载分布的不确定性对计算加速度响应结果的影响,结果表明在阵风剖面层荷载的假设下,荷载分布的不确定性对结构最大加速度响应的影响很小,验证了本文方法的适用性。     

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。     

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。     

超大型冷却塔风荷载时程响应及动力抗风性能分析

采用风洞实验测试和人工生成的方法分别获取某电厂220 m高超大型冷却塔达文波特风压时程数据,并基于国内规范和特征值屈曲建立了结构模型,采用有限元计算方法分析了风荷载动力抗风特性,并对结果进行了对比分析。结果表明:人工生成风压时程结构响应大于风洞实验实测风压响应,人工生成风压时程作用下整体位移和所提取单元各层壳应力均有较大幅度的波动,总体应力状态远低于混凝土强度设计值;在动力风荷载作用下,结构变形最大位置位于迎风面塔体喉部,应力最大位置位于迎风面塔体下部;基于特征值屈曲建立的结构模型整体变形大于国内规范建立模型变形值。研究成果可为超大型冷却塔表面风荷载取值和相关技术规范修订提供参考。     

双曲冷却塔等效静力风荷载中国规范适应性研究

中国规范关于大型双曲冷却塔等效静力风荷载的条文仅适用于高度小于165m的冷却塔,在缺少系统研究的情况下,可借鉴国外规范的相关条文。首先,本文以单塔为例对德国规范等效静力风荷载计算公式进行适当变换,得到了与中国规范完全一致的表达形式,且公式中只有风振系数和平均风压分布系数取值有差异,对两国规范中上述二参数的取值进行了比较;然后,采用有限元计算方法,对3座不同高度的冷却塔在中、德规范等效静风荷载作用下的内力及变形分布进行计算分析,结果表明,即使对200m高的冷却塔,中国规范关于等效静力风荷载的条文规定也是适应的。     

复杂山地环境下四塔组合特大型冷却塔风致干扰效应研究

为系统研究复杂山地和周边建筑对超规范190 m高度限值特大型冷却塔四塔组合的风致干扰效应,以国内在建210 m高特大型冷却塔四塔组合为对象,基于计算流体动力学(CFD)方法对不同来流风向角下考虑复杂山地(高度接近冷却塔喉部标高且距离塔体很近)四塔组合冷却塔的周围流场进行了数值模拟,并将单个冷却塔的风压分布与规范及实测曲线进行对比验证了数值模拟的有效性。在此基础上,对比分析了考虑复杂山地和周边建筑干扰时冷却塔表面最大负压、基于最大负压的干扰因子和平均风压分布特性,同时通过对最不利工况下冷却塔周边速度和涡量变化进行分析提炼出山地和塔群之间的风致干扰机理。研究表明复杂山地对冷却塔群来流湍流和风压分布模式的影响显著,同时受到冷却塔和建筑物之间"夹道效应"的影响,此时最不利工况下冷却塔基于最大负压的干扰因子最大可达1.43,远大于没有复杂地形下工程常见多塔干扰因子。主要研究结论可为此类考虑复杂山地环境的特大型冷却塔的群塔干扰因子取值提供参考。     

强风作用下超大型冷却塔结构失效准则与强健性分析

为分析超大型冷却塔在强风作用下的结构失效准则与强健性,以超规范高度限值的世界最高220 m超大型冷却塔为例,基于ANSYS/LS?DYNA平台建立结构三维有限元模型,对其风致倒塌全过程进行数值仿真分析.研究了典型风速下位移响应与塔筒内力分布特性,得出最不利响应发生的位置、数值及分布规律,探讨了强风下塔筒结构"稳定?失稳...     

双曲冷却塔表面三维绕流特性及风压相关性研究

为探究双曲冷却塔表面的三维绕流特性以及空间相关性,以某大型冷却塔为例进行刚体模型同步测压风洞试验,对表面平均和脉动风压分布以及环向和子午向的相关性进行了分析。研究发现,冷却塔的长细比较小,上下端均存在明显的三维绕流特性,并以塔筒上端尤为显著;端部效应主要表现在侧风区平均风压幅值下降、脉动风压激增、平均和脉动风压幅值最大点的后移以及风压环向相关性减弱。风压的环向相关性可以分为两个区域:“相关区域”(0°≤|θ|≤100°)和“非相关区域”(100°≤|θ|≤180°),其子午向相关性可以分为三个区域:“强相关区”(0°≤|θ|≤100°)、“弱相关区”(100°≤|θ|≤150°)以及“中等相关区”(150°≤|θ|≤180°);这使得冷却塔表面风压的双向(空间)相关性只存在于0°≤|θ|≤100°范围内。另外,在迎风点和侧风点,平均风压和脉动风压基本同时达到幅值的峰值,并且在环向和子午向存在极高的相关性,这都将显著增加风压分布的环向不均匀性以及风致结构响应。     

大跨屋盖结构风致背景响应和共振响应实用组合方法

以随机振动理论为基础,推导了大跨屋盖结构风致背景响应及其模态耦合项、共振响应及其模态耦合项以及背景响应和共振响应耦合项的计算公式,提出了考虑耦合效应的脉动风总响应组合方法;在此基础上,引入耦合效应修正系数,并根据结构动力特性与风荷载特性对提出的脉动风总响应组合公式进行了简化分析,得到了相应的实用组合公式,据此可以实现大跨屋盖结构考虑耦合效应的风致背景响应和共振响应实用高效组合。最后,通过国家体育场屋盖主结构风致背景响应和共振响应组合计算对所提方法的有效性进行了验证。     

某建筑顶部装饰幕墙结构的风荷载及风致抖振响应计算

采用数值方法对某高层建筑上部装饰幕墙结构进行了抗风研究.对表面风压进行了数值模拟,获得了风压分布特性;利用准定常计算方法,在频域上计算该结构的风致振动响应;然后用两种方法计算了等效静力风荷载.     

超大型冷却塔风致干扰效应试验研究

设计加工了1:200缩尺比某超大型冷却塔气弹模型和刚体测压模型,对不同塔距双塔组合、四类典型工程场地单塔风振响应进行气弹模型测振风洞试验,比较了双塔塔距、来流方向角和流场条件对于冷却塔塔筒风振系数的影响;结合东南沿海某工程场地冷却塔群塔及周边建筑物组合形式,采用刚体模型测压试验和气弹模型测振试验比较了复杂场地条件多塔比例系数和风振系数,表明工程场地中与冷却塔同等尺寸其他建筑作为施扰物的重要影响。上述试验结论与我国冷却塔荷载规范进行了详细对比,指出现行规范在适用新建超大型冷却塔工程需要改进的方面。