钢结构空冷塔国外应用较早, 21世纪80年代开始在我国逐步发展起来, 近年来, 国内学者对于钢结构空冷塔也有相关的研究。陈珂^[1]对单层网壳钢结构空冷塔采用SAP2000进行计算分析, 并提出设计方法和整体控制指标的建议值。李彤等^[2]对双层网壳钢结构空冷塔采用ABAQUS分析了网壳结构径向间距对其结构强度、稳定性和整体性能的影响, 并给出了径向间距的最优取值范围。徐超等^[3]以国外某200m高钢筋混凝土空冷塔为设计原型, 采用钢结构双层网壳结构形式, 进行不同网格尺寸及网壳厚度的参数化设计, 推荐了基于国内常见环境条件的合理设计参数。朱俊颖等^[4]考虑了结构几何非线性与材料非线性, 采用ANSYS对150m高双曲线钢结构空冷塔进行多种缺陷的稳定计算, 讨论了单层网壳、双层网壳及不同网格形式下结构的缺陷敏感性。但由于设计技术等原因, 国内钢结构空冷塔一般应用于中小型空冷塔, 高度一直未有突破, 对于100m以上的钢结构空冷塔仅局限于理论研究, 目前建成使用的内蒙古土默特右旗电厂空冷塔高度124m, 是国内建成投入使用的钢结构空冷塔最高高度。

　　 钢结构空冷塔紧凑轻巧, 抗震性能好, 工厂制作不受气候影响, 现场施工装配速度快, 其自重约为同等规模钢筋混凝土空冷塔重量的1/20, 使用到期后可再生利用, 节能环保。缺点是刚度较小, 稳定性、防腐能力一般, 在大型空冷塔应用中, 其设计、加工和施工技术必须进一步研究与论证, 但钢结构空冷塔的结构形式将是空冷塔建设的发展趋势, 并越来越显示其优越性。

　　 华电土右电厂位于内蒙古自治区包头市土默特右旗, 2×660MW级工程的给水泵汽轮机排汽冷却采用表凝式间接空冷系统。两台机组主机为直接空冷系统, 给水泵汽轮机建设一座间接空冷钢结构塔, 空冷散热器垂直立式布置在空冷塔外侧一周, 空冷塔采用双曲线形状, 底部直径77.8m, 出风口直径50.43m, 出风口高度 (塔高) 124m, 其基本参数见表1。

　　 华电土右电厂钢结构空冷塔工期5个月, 目前已竣工投产, 见图1, 其设计新颖, 制造、安装质量精良, 塔筒钢结构稳定, 密封板性能可靠, 空气动力性能优良, 得到用户的高度评价。

　　 结构体系的合理选择是设计成败的关键因素, 因此首先要对结构体系进行深入的研究。此外, 风荷载的研究、装配式节点设计、铝合金面板及其连接的耐久性研究等都是设计的关键要素。

　　 国内有学者对钢结构空冷塔有一定的研究, 如乐威等^[5]对国外一工程案例进行分析, 该工程案例塔高165m, 出口直径94m, 喉口高度126m, 喉口直径89m, 底部直径132.18m, 结构体系为单层网壳结构, 见图2。图3为乐威等^[5]提出的单层网壳的3种形式, 按照现行设计标准, 在对网格划分进行调整优化后, 得到用钢量约83.5kg/m²。若考虑杆件规格化和节点重量等因素, 用钢量尚需提高15%, 约96kg/m², 可见其用钢量很大。

　　 国外有企业对钢结构空冷塔进行研究, 多采用锥形塔和柱形塔, 结构体系选用的也是单层壳体, 见图4。图5为锥形塔的焊接节点, 可见现场焊接量大、易生锈, 焊接质量难以保证。单层壳体结构的用钢量大, 现场安装工艺复杂。

　　 单层壳体的结构刚度较弱, 整体稳定性差、用钢量大, 存在制作和安装上的困难, 因此仅适用于小型的钢塔。经过对比分析, 确定基于双层壳体结构体系进行优化分析。双曲线形塔的工艺性能最好, 并且结构抗侧刚度优于柱形塔和锥形塔, 其整体稳定性优于单层壳体, 解决节点连接问题后将是一种适用于中大型钢塔的结构体系。

　　 共选择3种双层壳体结构进行对比分析, 均采用Q345B钢材。图6为正交桁架双层网壳结构, 图7为正交桁架+斜撑双层网壳结构, 图8为四角锥双层网壳结构。对应于124m高的塔形, 在相同的荷载状况下, 经分析计算, 得出以上3种结构形式主要性能指标及用钢量见表2。

　　 由以上分析得知, 当塔高124m时, 正交桁架双层网壳结构、四角锥双层网壳结构与正交桁架+斜撑双层网壳结构各有优缺点, 考虑施工成本、加工制作和安装便利等因素, 华电土右电厂空冷塔设计选择了正交桁架双层网壳结构体系。

　　 空冷塔作为一种大跨、高耸结构, 具有体型大、自重轻、形状复杂及厚径比极小等特点, 相对其他荷载而言, 冷却塔对风荷载更为敏感 (尤其是脉动部分, 脉动风荷载作用下的瞬时响应可能远大于平均响应) , 常在风荷载作用下发生较大的响应, 甚至破坏, 风荷载是其控制性荷载^[6,7]。因此, 空冷塔的风荷载研究极其重要, 空冷塔风荷载效应具有自身的特点:1) 高度与直径的比值 (长细比) 通常接近2.0, 属于典型的空间壳体结构, 在风荷载作用下的变形和振动具有三维空间特性;2) 壳体厚度与直径的比值 (厚径比) 很小, 约为鸡蛋壳的1/5, 为典型的薄壁壳体结构, 因此在风荷载作用下很容易发生局部变形甚至屈曲失稳;3) 截面为圆形, 结构表面的风荷载分布受雷诺数、表面粗糙度的影响非常明显。

　　 风洞试验前, 数值模拟了钢塔的表面风压, 分析计算在通用CFD软件FLUENT6.3.26环境下完成, 采用了3D单精度Pressure based求解器, 空气模型选用理想气体模型 (Ideal-gas) , 三维湍流模型采用Realizable κ-ε模型, 对流项的离散采用一阶迎风格式, 速度压力耦合采用SIMPLE算法。图9为数值模拟钢塔的迎风面风压体型系数, 最大值为0.9, 位于塔体3/4高度以上。

　　 图9 钢塔迎风面体型系数

　　 风洞试验由中南大学风洞实验室完成, 根据华电土右电厂钢结构空冷塔的几何尺寸和实验室的条件, 采用1∶200的缩尺刚性模型, 见图10。通过风场模拟、雷诺系数效应模拟等因素, 试验得到钢塔外表面风压测试结果 (平均体型系数) 以及钢塔内表面风压测试结果 (平均压力系数) , 分别见图11和图12。从图11得出钢塔的外表面风压试验测试结果与数值模拟结果 (图9) 基本相符。

　　 在结构设计中, 风振系数是用来表征结构对脉动荷载的放大作用, 即通过对静力荷载乘以该系数来得到一个等效静力风荷载, 当这个等效静力风荷载作为静力荷载作用于结构上时, 它引起的结构某一种响应与实际风荷载 (包括平均风荷载和脉动风荷载) 作用时该响应的最大值一致。选择加拿大规范^[8]基于Davenport提出的顺风向风致响应理论和计算方法为基础给出的阵风荷载因子法来计算风振系数。此时, 定义风振系数即阵风荷载因子β为结构峰值响应与平均响应的比值, 即:

　　 $\beta =\frac{\widehat{y}}{\stackrel{—}{{\displaystyle y}}}=\frac{\stackrel{—}{{\displaystyle y}}+\widehat{y}{}_{\text{d}}}{\stackrel{—}{{\displaystyle y}}}=1\pm \frac{g\sigma {}_{\text{y}}}{\stackrel{—}{{\displaystyle y}}}=1+\left|\frac{g\sigma {}_{\text{y}}}{\stackrel{—}{{\displaystyle y}}}\right|(1)$

　　 峰值响应$\widehat{y}$包括静力风致响应$\stackrel{—}{{\displaystyle y}}$和动力风致响应$\widehat{y}{}_{\text{d}}$, 而动力风致响应$\widehat{y}{}_{\text{d}}=g\sigma {}_{\text{y}}$, g为峰值因子, 取值一般为2.5, 为做比较, 考虑了g=2.5, 3.0, 4.0三种情况;σ_y为响应标准差。

　　 根据计算可以得到塔体结构阻尼比为0.5%时的基于位移响应计算得到的风振系数, 如图13所示, 给出了50年一遇设计风速 (25m/s) 下最大响应所在子午线风振系数沿高度变化曲线。

　　 图13 风振系数

　　 根据以上分析, 结合循环水冷却规范^[9]取值, 顺风向位移风振系数取值为1.70。

　　 钢结构空冷塔的防腐蚀设计大部分采用热镀锌或冷喷锌, 防腐层较厚, 施工现场应尽可能采用装配式连接节点, 避免焊接^[10]。结合工程特点及杆件截面形式, 本文提出了一种新型装配式刚性连接节点, 见图14。其优点是, 保证主受力方向的连接刚度, 对于小尺寸的闭口薄壁型钢, 可以在不截断其截面的情况下实现在工厂的预制和施工现场的组装, 可大大提高生产效率。　  

　　 为验证其承载性能, 须进行有限元分析, 有限元模型见图15。节点杆件统计见表3, 钢材牌号均为Q345B。用MIDAS/FEA软件进行网格划分, 所有部件均采用实体单元, 因主要分析考察节点的刚度及其承载能力, 高强度螺栓简化为直接连接, 节点网格划分见图16。

　　 将用MIDAS/FEA划分好的网格模型导入到MIDAS/Gen结构整体模型中进行计算, 准确地模拟节点内力及边界约束, 最大荷载工况 (1.2恒载+1.4风荷载+1.4×0.6升温荷载) 下节点应力分布云图见图17、最大位移云图见图18。由分析得到节点最大应力为272.5MPa, 最大位移为49.3mm, 均满足相关规范对强度和变形的要求。

　　 通过计算分析得到节点弯矩-转角曲线, 反映节点有良好的初始刚度、抗弯承载力和转动能力, 见图19, 证明其具有良好力学性能, 节点刚度满足工程需要。

　　 图19 节点弯矩-转角曲线

　　 作为双曲空冷塔的主体维护结构, 铝合金面板主要承受风荷载作用。风荷载作为变幅循环荷载作用在面板上, 有必要对面板与主体结构连接部位的疲劳性能和连接件的疲劳性能进行试验研究。

　　 铝合金面板及其连接的疲劳可靠性试验由哈尔滨工业大学空间结构研究中心完成, 试验现场照片见图20。选取空冷塔底部转换桁架上相邻一个安装单元面板及子结构为试验研究对象, 试件设计为两层两跨, 试件尺寸约为4 300×2 200。

　　 首先进行有限元分析, 弦杆和檩条材料为Q345钢材, 面板材料为铝合金, 面板屈服强度为75MPa, 弹性模量为70GPa。施加的荷载为面荷载, 荷载大小为1.29kN/m²。采用ABAQUS软件计算, 结果如图21所示。从图中可以看出, 面板中部中间位置的位移约为3.4mm左右;面板跨中最大应力14.5MPa, 出现在面板中间和中间弦杆连接部位

　　 试件加载采用力控制的方式, 将力幅值区间控制在7～10kN。图22表示加载至7kN、加载至10kN试件弦杆相对于面板中部的距离随加载次数的变化关系, 该图统计了120万次内的位移变化情况。从图中可以看出, 试件的位移逐渐增大。由荷载除以位移得到试件的刚度, 见图23, 从图中可以看出, 试件的刚度随加载次数的增多整体逐渐呈下降趋势, 刚度下降幅度约为8%。通过以上分析, 认为铝合金面板及其连接可以满足设计所需的使用年限30年的要求。

　　 钢结构空冷塔塔体 (风筒) 的特征尺寸是根据热力计算来确定的。华电土右电厂空冷塔的塔体 (风筒) 采用双曲线形状, 其方程为:R²/a²-Y²/b²=1, 出风口高度为124m, 见图24。

　　 建筑物安全等级二级, 重要性系数1.0, 设计使用年限50年, 耐久性50年, 抗震设防类别重点设防类 (乙类) , 抗震设防烈度8度, 设计基本地震加速度0.274g, 设计地震分组第一组, 建筑场地类别Ⅲ类, 设计特征周期值0.45s。

　　 结构设计目标:1) 多遇地震作用下, 钢结构层间位移角限值1/250;罕遇地震作用下, 钢结构弹塑性层间位移角限值1/50;风荷载作用下, 钢结构最大变形控制值为高度的1/500。2) 当不考虑地震作用时, 构件强度、稳定应力≤材料设计强度;多遇地震弹性作用下, 构件强度、稳定应力≤材料设计强度/抗震承载力调整系数;中震弹性作用下, 构件强度、稳定应力≤材料设计强度/抗震承载力调整系数 (不考虑内力调整系数) ;重要的节点在罕遇地震作用下, 节点强度应力≤材料强度标准值 (不考虑分项系数、抗震承载力调整系数) 。

　　 结构计算同时考虑恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用、地震作用。其中恒荷载包括结构自重及铝合金挡风板自重;雪荷载取值0.25kN/m²;风荷载根据风洞试验成果和循环水冷却规范^[9]2.6.3条计算结果包络, 基本风压w₀=0.39kN/m², 地面粗糙度B类, 风压高度变化系数μ_z按荷载规范^[11]表8.2.1取值;温度作用考虑运行时空冷塔最高空气温度60℃, 合拢温度设定为15℃, 设计结构整体正温差45℃, 设计结构整体负温差-26℃。

　　 荷载效应组合依据荷载规范^[11], 中震不屈服组合不考虑地震内力调整, 荷载作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数均取1.0;中震弹性组合, 荷载作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数同小震要求, 不考虑地震内力调整;罕遇地震组合, 材料强度均按标准值进行验算, 抗震承载力调整系数均取1.0, 计算模型考虑部分构件进入塑性, 结构阻尼比增大至0.05。

　　 空冷塔下部由24对交叉格构柱组成, 上部风筒采用水平和竖向正交平面桁架构成的双层网壳结构, 外侧弦杆安装挡风板, 二者之间采用四管立体桁架进行结构体系的转换。交叉格构柱以上水平桁架共56层 (含转换桁架上下弦平面) , 竖向桁架为96片。

　　 采用结构计算软件MIDAS/Gen建立模型计算, 采用SAP2000校核。交叉格构柱、转换桁架、风筒结构与冷却三角架共同计算, 不考虑挡风板的蒙皮作用, 未考虑地基基础的影响, 采用三维整体有限元模型, 桁架弦杆、腹杆、格构柱等采用梁单元, 挡风板采用平面应力单元, 见图25。分析中采用如下假定:1) 假定桁架腹杆连接为刚接, 格构柱腹杆连接为刚接;2) 交叉格构柱与基础连接为刚接。

　　 计算考虑了结构的整体性能和稳定性, 其结果均符合相关规范要求和结构设计目标, 前3阶振型见图26, 结构位移见图27, 屈曲分析特征值见表4。

　　 特征值屈曲分析以小位移线性理论假定为基础, 结构在重力荷载作用下, 其变形过程中忽略结构形体的变化, 能够一定程度上反映结构的整体稳定性能。

　　 图26 前3阶振型

　　 经几何非线性分析, 结构在重力和风荷载作用下, 在控制位移600mm时, 结构各杆件内力不大, 受力比较均匀, 随荷载增加, 非线性不明显, 荷载-位移曲线无极值点出现, 荷载稳定系数为3.563。最不利节点位移在自重和风荷载作用下的荷载稳定系数-位移曲线见图28。

　　 钢结构空冷塔有很好的延性, 双向正交桁架结构受力明确, 其刚度和承载能力能满足本项目技术指标的要求。通过以上分析得出以下结论:

　　 (1) 风荷载作用。本建筑物为风敏感建筑, 位移控制工况为风荷载组合, 在最不利工况组合下, 其强度和刚度指标均满足规范要求。

　　 (2) 地震作用。本建筑物具有良好的动力特性, 其自振周期在合理范围之内, 反应谱分析其强度和刚度指标均满足规范要求。

　　 (3) 整体稳定分析。本建筑物整体稳定性较好, 在控制位移600mm时, 荷载-位移曲线无极值点出现。

　　 本文基于华电土右电厂空冷塔工程实例, 通过对钢结构空冷塔结构体系、风荷载、装配化节点、围护结构等方面的深入研究, 得出以下适用于同类工程的结论:

　　 (1) 基于单层、双层和多层网壳等结构体系的分析研究, 提出平面正交桁架、正交桁架+斜撑、空间四角锥等双层或多层网壳结构体系适用于超高钢结构空冷塔, 此类体系纵横向刚度分配比较均匀, 有良好的抗弯刚度, 空间作用较明显, 整体稳定性好, 经济实用, 施工方便。

　　 (2) 应用风洞试验和数值风洞方法, 确定钢结构空冷塔风荷载取值, 填补了行业规范未对钢结构空冷塔风荷载取值的明确要求这一空白, 特别是风振系数取值的不足。

　　 (3) 基于承压型高强螺栓连接方式, 提出了全装配化节点设计, 便于现场高空安装, 优于传统的框架梁柱连接节点, 且良好保护了已有构件的防腐镀层, 合理设置加劲肋, 有效地消除了应力集中现象。

　　 (4) 基于有限元分析及疲劳试验等技术, 将铝合金围护面板应用到钢结构空冷塔中, 其具有良好的强度和刚度, 长效防腐蚀能力强, 可根据需要在现场成型直接安装, 解决了运输变形和损耗问题。通过密封件采用自攻螺钉直接连接于檩条上, 安装简便, 实现了在长期荷载作用下的气密性和连接可靠性。