子午線型對(duì)冷卻塔結(jié)構(gòu)特性和抗風(fēng)性能的影響機(jī)理項(xiàng)目摘要

雙曲冷卻塔的子午線型對(duì)結(jié)構(gòu)特性和抗風(fēng)性能存在顯著影響，不合理的子午線型也被認(rèn)為是渡橋電廠風(fēng)毀事故的原因之一。線型對(duì)結(jié)構(gòu)特性和抗風(fēng)性能的影響形式已有零星發(fā)現(xiàn)，但并不系統(tǒng)全面，對(duì)影響機(jī)理還沒有明確認(rèn)識(shí)，阻礙了冷卻塔線型設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作的開展，亦不利于我國當(dāng)前高漲的建設(shè)實(shí)踐。本項(xiàng)目擬通過數(shù)值計(jì)算，對(duì)比分析子午線型參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)特性的具體影響形式和關(guān)鍵影響因素，包括其力學(xué)行為模式、動(dòng)力特性、穩(wěn)定性以及整體和局部剛度特征等；借助板殼結(jié)構(gòu)力學(xué)理論分析，明確線型參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)特性的影響機(jī)理。以此為基礎(chǔ)上升到冷卻塔抗風(fēng)性能的兩個(gè)關(guān)鍵問題，風(fēng)振響應(yīng)和極限承載能力：經(jīng)剛體和氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析，考慮線型和動(dòng)力參數(shù)，揭示子午線型對(duì)風(fēng)振響應(yīng)的影響規(guī)律；通過數(shù)值仿真模擬，分析子午線型對(duì)風(fēng)荷載極限承載能力和破壞模式的影響；并將兩者結(jié)合展開針對(duì)在役非完善結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)研究。最終結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)過程探究線型優(yōu)化策略。

在前期工作的基礎(chǔ)上，首先以一座代表性冷卻塔為例，通過線型方程的參數(shù)調(diào)整獲得五組線型，獨(dú)立分析塔筒上下緣直線段、喉部以上線型、下緣傾角、喉部高度和整體半徑對(duì)結(jié)構(gòu)在多種荷載下受力性能的影響，并通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)各參數(shù)對(duì)塔筒材料用量的影響。另外，上述參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)基頻和穩(wěn)定性的影響也進(jìn)行了分析，并結(jié)合結(jié)構(gòu)振型解釋了線型對(duì)基頻的影響機(jī)理。通過上述研究揭示了子午線型尤其是線型斜率/曲率對(duì)結(jié)構(gòu)特性的影響機(jī)理，提出了以塔筒配筋量為指標(biāo)的子午線型優(yōu)化方法并對(duì)子午線型的構(gòu)造方法提出了一定要求。同時(shí)，為便于將配筋量作為優(yōu)化目標(biāo)，還根據(jù)冷卻塔的受力特性提出了一種簡(jiǎn)化且可靠的配筋計(jì)算方法，從而可以在結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算時(shí)避免繁復(fù)的多風(fēng)向組合。在動(dòng)力范疇，在風(fēng)洞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)冷卻塔的風(fēng)振效應(yīng)也進(jìn)行了系統(tǒng)研究，詳細(xì)分析了各響應(yīng)的環(huán)向和子午向分布特征以及各響應(yīng)背景和共振分量在總脈動(dòng)響應(yīng)中的權(quán)重，并綜合各響應(yīng)的時(shí)程特征、塔筒結(jié)構(gòu)特性及配筋設(shè)計(jì)原則，將塔筒各響應(yīng)的陣風(fēng)響應(yīng)因子從環(huán)向和子午向的二維分布簡(jiǎn)化為分別針對(duì)環(huán)向和子午向配筋設(shè)計(jì)的兩個(gè)獨(dú)立數(shù)值并作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)振系數(shù)。在此過程中，還提出了在響應(yīng)時(shí)程中準(zhǔn)確分離背景和共振分量的方法并進(jìn)行了驗(yàn)證。另外，對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的各個(gè)影響因素如結(jié)構(gòu)基頻、阻尼、風(fēng)速、子午向相關(guān)性等進(jìn)行了全面分析，明確了各自對(duì)對(duì)共振效應(yīng)的影響規(guī)律并給出了擬合表達(dá)式。結(jié)果表明，在基頻大于0.7Hz時(shí)，結(jié)構(gòu)的共振效應(yīng)并不明顯，而在整體雙曲線型控制下，子午線型變化對(duì)結(jié)構(gòu)基頻的影響較為有限，故而線型對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)振效應(yīng)的影響亦非常有限。在極限承載力方面，已經(jīng)建立了考慮塔筒鋼筋混凝土材料非線性的有限元計(jì)算模型并得到了初步的結(jié)果，塔筒在破壞前的非線性效應(yīng)極弱，而一旦局部混凝土開裂后，結(jié)構(gòu)剛度急劇下降且位移急劇增加，從而造成計(jì)算終止，但此時(shí)鋼筋仍未屈服。受時(shí)間所限，后續(xù)仍將繼續(xù)展開極限承載力方面的研究。 2100433B

19世紀(jì)中葉，人們?cè)诿旱V開發(fā)過程中首次提出冷卻塔的概念。

20世紀(jì)初，世界上最早的鋼筋混凝土冷卻塔由時(shí)任荷蘭國家礦產(chǎn)部的學(xué)者Frederik Van Iterson提出。

1918年，經(jīng)過Iterson的不懈努力，其提出的雙曲線旋轉(zhuǎn)薄殼冷卻塔終于成為了現(xiàn)實(shí)。

英國最早使用這種冷卻塔。20世紀(jì)30年代以來在各國廣泛應(yīng)用，40年代在中國東北撫順電廠、阜新電廠先后建成雙曲線型冷卻塔群。

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)相關(guān)和奇異值分解方法，系統(tǒng)地考察了非絕熱加熱對(duì)大氣局地?cái)_動(dòng)位能的響特征和機(jī)理問題。分析結(jié)果表明，熱帶地區(qū)海表溫度異常和擾動(dòng)位能的耦合相關(guān)特征與厄爾尼諾和南方濤動(dòng)變率的關(guān)系密切，擾動(dòng)位能在熱帶外地區(qū)的耦合模態(tài)空間型呈現(xiàn)出與北太平洋—北美大氣遙相關(guān)型極為相似的分布特征。

位能表面溫度與擾動(dòng)位能的相關(guān)關(guān)系

海表溫度異常對(duì)于大氣系統(tǒng)熱力動(dòng)力過程的影響是知道的，同樣作為下墊面邊界條件，陸面溫度的異常變化也必然會(huì)對(duì)大氣局部能量有效性造成影響。因此，在對(duì)SST場(chǎng)異常以及特征指數(shù)與大氣擾動(dòng)位能相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，這里簡(jiǎn)要考察表面溫度（SurfaceAirTemperature，SAT）與擾動(dòng)位能的局地單點(diǎn)相關(guān)關(guān)系。

擾動(dòng)位能和表面溫度的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)局地相關(guān)系數(shù)分布情況?？梢钥闯?，全球各個(gè)格點(diǎn)在四個(gè)季節(jié)PPE和SAT的相關(guān)系數(shù)均大于0，呈現(xiàn)正相關(guān)特征，相關(guān)不顯著區(qū)域主要集中于夏半球，1月份分布在澳洲和南大洋以及熱帶地區(qū)，而月份則分布在北太平洋和北大西洋海區(qū)以及熱帶和南極附近；春秋過渡季節(jié)陰影區(qū)顯著減小，主要集中于熱帶，但春季4月份南極大陸幾乎都未通過嚴(yán)格的顯著性檢驗(yàn)?？傮w來看，陸面溫度和擾動(dòng)位能的相關(guān)要好于海面。

擾動(dòng)位能反映的是局地能量的有效性，它與局地溫度相對(duì)于全球平均的偏差有關(guān)，因而，表面溫度與局地?cái)_動(dòng)位能的顯著相關(guān)是容易理解的，這也反映出兩者變化具有一致性。當(dāng)然，在不同季節(jié)也會(huì)出現(xiàn)相關(guān)相對(duì)較弱的個(gè)別區(qū)域，這些情況可能與其它未知因素有關(guān)。

位能熱帶地區(qū)Q1和擾動(dòng)位能的SVD分析

在單點(diǎn)相關(guān)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步以Q₁為左場(chǎng)，以大氣擾動(dòng)位能為右場(chǎng)進(jìn)行了SVD場(chǎng)相關(guān)分析，并按照熱帶地區(qū)Q₁和擾動(dòng)位能之間，以及北半球熱帶外Q₁和擾動(dòng)位能之間兩種情況來分別開展研究。

首先，以冬季熱帶地區(qū)的視熱源Q₁為左場(chǎng)，以該地區(qū)整層積分的擾動(dòng)位能為右場(chǎng)進(jìn)行SVD分析，其目的是考察低緯以潛熱為主的非絕熱加熱率與局地能量有效性的相關(guān)關(guān)系。第一模態(tài)解釋兩個(gè)場(chǎng)之間的總協(xié)方差平方和的62.18%，能夠代表兩個(gè)場(chǎng)耦合變化型的主要特征，解釋Q₁方差的27.02%，解釋整層擾動(dòng)位能方差的7.03%，兩個(gè)場(chǎng)的耦合變化型顯然在Q₁場(chǎng)中占較大的方差比例。第二耦合模態(tài)的方差貢獻(xiàn)則遠(yuǎn)不及第一模態(tài)，其仍在Q₁場(chǎng)中的貢獻(xiàn)很大。大部分耦合模態(tài)左右場(chǎng)展開時(shí)間系數(shù)之間的相關(guān)可達(dá)0.7以上，通過了99.9%的信度檢驗(yàn)。

最近在中國的浙江省寧海國華電廠推出了海水冷卻塔，使電廠的余熱不排入大海而對(duì)海洋生態(tài)產(chǎn)生影響。有些電廠采用強(qiáng)制通風(fēng)的空氣冷卻凝汽器就不需要再采用該建筑了。