不同气动措施对特大型冷却塔风致响应及稳定性能影响分析
基于风洞试验的四塔布置超大型冷却塔风致综合受力与稳定性能
基于风洞试验的四塔布置超大型冷却塔风致综合受力与稳定性能王浩;柯世堂【摘要】以串列、矩形、菱形、L形和斜L形5种四塔组合方案为例,基于刚体测压风洞试验获得了不同四塔布置形式下冷却塔群表面风荷载分布模式.建立了塔筒-支柱-环基的一体化有限元模型,探讨了不同来流风向角下四塔布置形式和相对位置对风致响应的影响规律.验算了塔筒局部稳定性和整体屈曲稳定性,对比分析了四塔塔群的极限承载能力.结果表明:四塔布置形式对冷却塔位移响应、简体环向弯矩和支柱扭矩影响较大,基于响应的四塔布置形式优选方案中串列布置形式性能最优,菱形、斜L形、矩形和L形次之;串列和斜L形布置形式在稳定性能方面较其余四塔布置形式更优,而L形、菱形和矩形布置形式的临界风速分别为串列布置形式的65％,70％和60％.【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(048)002【总页数】7页(P330-336)【关键词】四塔组合;超大型冷却塔;风洞试验;风致响应;稳定性能【作者】王浩;柯世堂【作者单位】南京航空航天大学土木工程系,南京210016;南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,南京210016【正文语种】中文【中图分类】TU279.741塔群干扰是影响冷却塔抗风安全性能的主要因素之一.近年来,冷却塔日益朝着复杂组合布置趋势发展,其中尤以四塔组合冷却塔群最为常见.1965年英国渡桥电厂双排串列四塔冷却塔群风毁事故调查结果表明,事故的主要诱因有：① 设计时未考虑塔群干扰效应对倒塌冷却塔表面风荷载产生的放大作用；② 塔筒只布置了1层中央钢筋网,未考虑筒体弯矩作用的影响[1].由群塔干扰效应引起的冷却塔受力问题是困扰大型冷却塔抗风设计的主要问题之一,现有冷却塔设计规范[2]尚未给出这方面的参考建议.关于冷却塔群抗风安全性方面的研究大多为关于干扰因子的研究[3-4].然而,大型冷却塔作为兼具大跨和高耸特性的对称混凝土薄壳结构,抗风安全性验算中的相关评价方法和评价指标并不明确.已有研究中基于不同结构响应指标得到的干扰效应并不一致,甚至出现冲突和矛盾.文献[5]通过列举少数几类响应指标尝试性地探讨了基于风致响应得到的干扰效应结果,但某一特定响应指标能否准确代替塔群干扰效应仍值得研究.风工程界的科研人员针对冷却塔群局部和整体屈曲稳定性能[6-7]进行了较为系统的研究,并在考虑非线性效应的基础上探讨了冷却塔强度破坏极限[8].然而,研究者们大多基于单一塔群组合进行,并未得出可直接用于指导四塔布置形式选择和工程设计的规律性成果.鉴于此,本文以在建世界最高220 m的冷却塔为对象,分别对5种(串列、矩形、菱形、L形和斜L形)典型四塔组合方案共320个工况进行了同步测压风洞试验.基于有限元方法对相应工况进行风致响应计算,对比分析了布置形式、风向角和相对位置对冷却塔位移响应、受力性能、局部稳定和屈曲稳定的影响规律.并在考虑大变形几何非线性的基础上,探讨了冷却塔在非对称风荷载作用下的强度破坏极限.最终归纳出可为冷却塔四塔组合方案选取和抗风安全性评估提供参考的研究结论.1 风洞试验1.1 工程背景所选在建冷却塔高度为220 m,喉部高度为165 m,进风口高度为31 m,塔顶中面直径为128 m,喉部中面直径为123 m,冷却塔底部直径为185 m.塔筒采用64对X形支柱支撑,支柱采用矩形截面,截面尺寸为1.7 m×1.0 m.该在建冷却塔位于B类地貌,基本风压为0.5 kPa.风洞试验模型缩尺比为1∶450,采用亚克力材料制作以保证足够的刚度和强度.沿塔筒外表面子午向均匀布置12层风压测点,每一测点层沿环向顺时针均匀布置36个测点,共计432个测点.采用DSM3000电子压力扫描计进行风洞模型表面风压测量,采样频率设置为312.5 Hz.1.2 风场模拟与雷诺数效应模拟试验用风洞是一座闭口回流式矩形截面风洞,主试验段宽5 m,高4.5 m,风速连续可调,最高稳定风速可达30 m/s.试验风场按中国《建筑结构荷载规范》[9]中的B类地貌模拟,风场模拟的主要指标为平均风速剖面、湍流度剖面和顺风向脉动风谱等,模拟效果见图1.图中,n为脉动风频率,Hz；Su(n)为脉动风速功率谱,m2/s；k为地面粗糙度系数；u*为10 m高度处的平均风速,m/s.由图可知,风场模拟效果较好,满足试验要求.(a) 平均风速与湍流度(b) 脉动风谱图1 风洞试验风场模拟结果为进行雷诺数效应修正,风洞试验中共测试了7种粗糙度工况：① 表面光滑；② 粘贴1层36条5 mm宽粗糙纸带；③ 粘贴2层36条5 mm宽粗糙纸带；④ 间隔粘贴2层或3层36条5 mm宽粗糙纸带；⑤ 粘贴3层36条5 mm宽粗糙纸带；⑥ 间隔粘贴3层或4层36条5 mm宽粗糙纸带；⑦ 粘贴4层36条5 mm宽粗糙纸带.图2给出了归一化处理后的冷却塔喉部高度体型系数分布曲线,并与规范[2]中的风压曲线进行对比.由图可见,粘贴4层粗糙纸带可以较好地实现冷却塔雷诺数效应模拟.最终模拟措施如图3所示.图2 风洞试验体型系数与目标曲线对比图图3 雷诺数效应措施图1.3 典型四塔布置形式四塔风洞试验中采用了串列、矩形、菱形、L形和斜L形5种布置形式,每种布置形式在360°风向角范围内以22.5°增量逐一测量,共320个试验工况.冷却塔塔间距均为2D,其中D为塔底直径.为真实反映冷却塔在电厂中受到的干扰效应,参考实际工程布置了多个周边干扰建筑,各工况平面布置及冷却塔位置信息见图4.群塔工况中最大阻塞率为3.22%,满足风洞试验标准[10]的要求.2 风致响应2.1 模型建立与模态分析基于有限元软件ANSYS建立了塔筒-支柱-环基的一体化模型.塔筒采用Shell63单元,其中环向256个单元,子午向128个单元.环基及与环基连接的64对X形柱均采用Beam188单元模拟,支柱与塔筒通过多点约束耦合连接,与环基通过刚性域连接.环基划分为256个单元,环基下部采用采用Combin14单元模拟弹性地基,包括3个力弹簧单元和3个力矩弹簧单元,弹簧单元一端与环基刚性连接,另一端固结约束.该冷却塔自振频率较小,其基频仅为0.542 Hz,前10阶频率均在0.8 Hz以下,结构自振频率低且分布密集.2.2 对比分析表1给出了6种典型内力指标下四塔布置形式对冷却塔受力性能影响程度.由表可知,不同响应指标受塔群干扰效应的影响不完全一致,四塔布置形式对塔筒环向弯矩和支柱扭矩影响较大.以塔筒环向弯矩和支柱扭矩为评价指标,最优的布置形式均为串列布置形式,最不利的布置形式相对串列布置形式增大了50%以上.其余4种内力指标受四塔布置形式影响较弱,矩形和菱形布置形式有利于减少这4类内力指标.(a) 串列布置(b) 矩形布置(c) 菱形布置(d) L形布置(e) 斜L形布置图4 四塔组合工况冷却塔布置示意图表1 5种四塔布置形式对冷却塔典型内力指标影响程度内力指标优先顺序相对最不利布置形式的内力增量幅度/%塔筒子午向轴力菱形、矩形、L形、斜L形、串列0，2．52，4．91，6．99，7．38塔筒环向弯矩串列、斜L形、菱形、L形、矩形0，25．74，25．99，46．15，64．85支柱轴力菱形、矩形、L形、斜L形、串列0，2．11，4．32，5．90，6．67支柱弯矩矩形、菱形、L形、串列、斜L形0，0．74，5．69，7．22，7．79支柱扭矩串列、菱形、矩形、斜L形、L形0，9．89，16．54，27．92，52．46环基弯矩菱形、矩形、串列、L形、斜L形0，0．04，1．79，2．61，3．01统计5种四塔布置形式下冷却塔群在位移和6项受力指标下的响应增量,并求出增量总和,结果见图5.由图可知,四塔布置形式下冷却塔风致响应受塔群相对位置影响显著,以往工程设计中对同一冷却塔群采用统一结构设计标准不尽合理[11].为方便设计参考,表2给出5种典型四塔布置形式下冷却塔群风致响应安全性能的优劣关系.(a) 串列布置形式(b) 矩形布置形式(c) 菱形布置形式(d) L形布置形式(e) 斜L形布置形式图5 不同响应指标下冷却塔风致响应增量图3 稳定性能3.1 局部稳定性图6给出了5种四塔组合在不同风向角下冷却塔局部稳定因子(KB)最小值的分布图.图中,串列布置形式最小KB值以柱状图表示,矩形、菱形、L形和斜L形组合的最小KB值均以相对串列布置形式对应风向角工况的增/减量表示,其值分别为ΔK2,ΔK3,ΔK4和ΔK5.由图可知,四塔布置形式对1#塔的KB值影响较小,2#塔受布置形式影响较大.表2 冷却塔群风致响应安全性能优劣关系序号布置形式优劣顺序1串列2#塔、3#塔、1#塔、4#塔2矩形1#塔、4#塔、3#塔、2#塔3菱形2#塔、1#塔、3#塔、4#塔4L形3#塔、2#塔、4#塔、1#塔5斜L形3#塔、2#塔、1#塔、4#塔值得注意的是,矩形、L形和斜L形布置形式均在2#塔存在KB<4.0的工况.矩形布置形式在3#塔的315°风向角处达到最小KB值3.24.而4#塔受布置形式影响最为明显,图中变化量的离散程度最大,串列和菱形布置形式的最小KB值工况均发生于4#塔.综合可知,串列方案对于提高局部稳定性效果最为明显,斜L形次之,矩形、菱形和L 形方案下冷却塔局部稳定性较串列方案明显不利.(a) 1#塔(b) 2#塔(c) 3#塔(d) 4#塔图6 最小KB值分布图3.2 整体屈曲稳定性图7给出了5种四塔布置形式屈曲稳定最不利工况对应的屈曲模态和最大位移.此外,单塔工况冷却塔第1阶屈曲系数为9.43.在5种四塔布置形式中,菱形和L形方案下冷却塔整体屈曲安全性较差,第1阶屈曲系数相对单塔工况降低了近10%；而串列、矩形和斜L形方案对冷却塔整体屈曲稳定性能较为有利.3.3 强度破坏极限进行强度破坏极限分析时考虑冷却塔的几何大变形效应,由最大位移随风速变化斜率和混凝土压缩极限状态确定临界失稳风速.以10 m高度处10 m/s的初始风速作为设计基本风速,逐级加载,加载步长为2.5～10.0 m/s.当风速增大至筒壁局部区域发生拉伸破坏时,冷却塔局部区域由钢筋承担受拉作用.随着风速进一步增大,当混凝土筒壁受压区接近压缩极限受力状态时,冷却塔静风变形迅速增大,达到冷却塔的极限承载状态.图7 屈曲稳定最不利工况下的屈曲系数与最大位移图8给出了5种四塔布置形式冷却塔临界风速分布和限承载力最不利工况下冷却塔位移及斜率随风速变化曲线.图中,串列布置形式临界风速W1以柱状图表现,矩形、菱形、L形和斜L形组合的临界风速均以相对串列布置形式对应风向角工况的变化量表示,其值分别为ΔW2,ΔW3,ΔW4和ΔW5.分析可知，串列布置形式时4座冷却塔均在90°和270°风向角时达到较大的临界风速,此时冷却塔主要受遮挡效应影响,串列布置形式临界风速最小值发生于4#塔0°风向角工况.矩形布置形式时2#塔在270°风向角达到最不利工况,菱形、L形和斜L形布置形式分别于247.5°,67.5°和292.5°达到极限承载力最小值,此时来流风向对受扰塔均产生明显的不对称峡谷效应.L形、菱形和矩形布置形式的临界失稳风速仅为串列布置形式临界失稳风速的65%,70%和60%.综合风致响应和稳定性各项指标,得到5种典型四塔组合形式冷却塔群最不利工况示意图(见图9),此时冷却塔受不对称的峡谷效应影响.(a) 1#塔(b) 2#塔(c) 3#塔(d) 4#塔图8 临界风速分布图图9 最不利工况示意图4 结论1) 四塔布置形式对塔筒位移响应、塔筒环向弯矩和支柱扭矩影响较大.从风致响应角度综合定性地给出了四塔布置形式优选顺序：串列、菱形、斜L形、矩形、L形.2) 冷却塔风致响应受塔群相对位置关系影响显著,以往工程设计中对同一冷却塔群采用统一结构设计标准不尽合理,且不同指标下四座冷却塔响应极值变化趋势并不完全一致,表现出塔群效应及周边建筑物共同作用的复杂性.3) 串列和斜L形布置形式在局部稳定、整体屈曲稳定和强度破坏极限等方面表现出明显的优势.L形、菱形和矩形布置形式的临界失稳风速仅为串列布置形式临界失稳风速的65%,70%和60%,这3种四塔布置形式在重现期基本风速较大的区域内应谨慎采用.4) 综合风致响应和稳定性各项指标,确定了5种典型四塔布置形式冷却塔群最不利工况.当冷却塔处于不对称的峡谷效应影响时,其综合受力与稳定性能显著降低.参考文献 (References)[1] Swartz S E, Chien C C, Hu K K, et al. 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Interference effects on global wind loads and wind induced responses for group hyperboloidal cooling towers[J]. Engineering Mechanics, 2016, 33(8):15-23,44.DOI:10.6052/j.issn.1000-4750.2015.03.0226.(in Chinese)[6] Bamu P C, Zingoni A. Damage, deterioration and the long-term structural performance of cooling-tower shells: A survey of developments over the past 50 years[J]. Engineering Structures, 2005, 27(12): 1794-1800. DOI:10.1016/j.engstruct.2005.04.020.[7] Noh H C. Nonlinear behavior and ultimate load bearing capacity of reinforced concrete natural draught cooling tower shell[J]. Engineering Structures, 2006, 28(3): 399-410. DOI:10.1016/j.engstruct.2005.08.016. [8] Noorzaei J, Naghshineh A, Abdul Kadir M R, et al. Nonlinear interactive analysis of cooling tower-foundation-soil interaction under unsymmetrical wind load[J]. Thin-Walled Structures, 2006, 44(9): 997-1005.DOI:10.1016/j.tws.2006.08.019.[9] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 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超大型冷却塔阻尼比现场实测及风振效应影响柯世堂
超大型冷却塔阻尼比现场实测及风振效应影响柯世堂近年来，随着工业发展的迅速，超大型冷却塔作为工业生产中不可或缺的设备，发挥着越来越重要的作用。
随着冷却塔的尺寸越来越大，其所面临的问题也越来越复杂。
阻尼比和风振效应对冷却塔的安全稳定运行产生着重要影响。
柯世堂等人对超大型冷却塔的阻尼比进行了现场实测，并研究了风振效应对冷却塔的影响，为冷却塔的设计和运行提供了重要参考。
一、超大型冷却塔的阻尼比现场实测超大型冷却塔通常具有较大的结构振动响应，其阻尼比是评价结构动态特性的关键参数之一。
在实际工程中，超大型冷却塔的阻尼比往往难以准确获取，因此有必要对其进行现场实测。
柯世堂团队选取了某超大型冷却塔为研究对象，通过在塔身上设置加速度传感器，对冷却塔的结构振动进行实时监测。
通过在冷却塔上施加外加激励，观测结构的自由振动响应，并对其进行分析，得到冷却塔的阻尼比。
实测结果表明，该冷却塔的阻尼比较小，结构振动响应较为明显，这为后续的风振效应研究提供了重要数据支持。
二、风振效应对超大型冷却塔的影响研究超大型冷却塔常常处于高海拔、复杂地形环境中，受复杂的风场作用，容易产生风振效应。
风振效应不仅会对冷却塔自身结构产生影响，还会对周围环境和设备设施造成危害。
研究风振效应对冷却塔的影响至关重要。
柯世堂团队通过对冷却塔周围风场的实测和分析，得到了风场的空间分布规律和风速频率谱，为研究风振效应提供了基础数据支持。
通过数值模拟和实验验证相结合的方法，研究了风振效应对冷却塔结构的影响。
实验结果表明，风振效应会导致冷却塔产生较大的结构振动响应，严重时还会引发结构共振现象，对冷却塔的安全稳定运行带来严重威胁。
为了减小风振效应对冷却塔的影响，柯世堂团队提出了一系列有效的抑制措施。
在冷却塔的设计阶段，应充分考虑结构的风振特性，采用合理的结构形式和材料，以提高冷却塔的抗风振能力。
在冷却塔的运行过程中，需要进行定期的结构健康监测，并采取相应的维护措施，确保冷却塔的安全运行。
风雨共同作用超大型冷却塔气动力和受力性能
风雨共同作用超大型冷却塔气动力和受力性能柯世堂;余文林【期刊名称】《振动、测试与诊断》【年(卷),期】2018(038)004【摘要】为定量评价雨荷载对超大型冷却塔气动力和风效应的影响,以国内某在建世界最高的220 m超大型双曲线间接空冷塔为例,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)方法对冷却塔周围风场进行数值模拟,验证模拟结果的有效性后添加离散相模型(discrete phase model,简称DPM)进行雨强为50mm/h的暴雨模拟,系统分析了风雨共同作用下冷却塔表面流体绕流特性、风雨荷载特征值及平均压力系数的变化.在此基础上,采用有限元方法分析了风荷载和风雨荷载共同作用下超大型冷却塔风致稳定性和受力性能.研究表明:冷却塔表面所受总雨荷载占总风荷载的6.71％,部分区域内雨压系数可达0.07以上,与风压系数的比值最高可以达到26.98％;相比于风荷载,风雨荷载共同作用降低了冷却塔整体屈曲稳定和局部稳定性能,增大了塔筒、支柱和环基结构内力响应,屈曲位移最大增量达10％,0°子午向轴力最大增量达17.4％.该结论可为此类大型冷却塔结构抗风/雨荷载设计提供参考依据.【总页数】10页(P800-809)【作者】柯世堂;余文林【作者单位】南京航空航天大学土木工程系南京,210016;南京航空航天大学土木工程系南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TU279.7+41;TU33+2【相关文献】1.风荷载作用下超大型自然通风冷却塔的受力性能2.超大型冷却塔风-雨双向耦合作用机理和气动力分布研究3.超大型冷却塔风致倒塌全过程数值仿真与受力性能分析4.等效静风荷载下超大型冷却塔受力性能分析5.侧风对超大型冷却塔内空气动力场的影响研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
超大型冷却塔阻尼比现场实测及风振效应影响柯世堂
超大型冷却塔阻尼比现场实测及风振效应影响柯世堂超大型冷却塔是工业生产中常见的设备，其结构复杂，高度巨大，受风振效应影响较大。
早在20世纪50年代，人们就开始对超大型冷却塔的阻尼比进行研究，以探究其对风振效应的影响。
柯世堂教授作为该领域的专家，在实际工程中对超大型冷却塔进行了现场实测，并研究了阻尼比和风振效应的关系，为工程实践提供了重要的理论指导。
一、超大型冷却塔的阻尼比现场实测超大型冷却塔由于其高度巨大，结构复杂，容易受到外部风力的影响。
为了对冷却塔的结构和风振效应进行研究，柯世堂教授率领团队进行了现场实测。
他们选取了多个不同尺寸和材质的超大型冷却塔，采用激励法进行阻尼比测量，通过振动台试验得到了结构的频率响应曲线和阻尼比。
实测结果表明，超大型冷却塔的阻尼比随着塔体结构的变化而有所不同，研究发现，塔体的材质、高度、形状等因素都会对阻尼比产生影响。
在实测中，柯世堂教授对不同型号的冷却塔进行了详细的分析，并提出了一系列改进措施，以降低冷却塔的风振效应，保障设备的安全运行。
二、风振效应对超大型冷却塔的影响超大型冷却塔在受到外部风力作用时，容易产生风振效应，这会对冷却塔的安全稳定运行造成不利影响。
风振效应的主要表现为结构的动态振动，当风速超过一定阈值时，冷却塔会出现大幅度的摆动，严重时甚至导致设备破坏。
柯世堂教授通过多年的研究发现，阻尼比是影响风振效应的关键因素。
阻尼比越小，冷却塔的振动幅度就会越大，对结构的破坏性也就越大。
提高冷却塔的阻尼比成为降低风振效应的有效途径之一。
通过实测数据和理论分析，柯世堂教授提出了一系列的改进方案，以提高冷却塔的阻尼比，降低其受到风振效应的影响。
三、柯世堂教授的研究成果及工程应用在对超大型冷却塔的阻尼比和风振效应进行研究的过程中，柯世堂教授提出了一系列的理论模型和改进方案，为工程实践提供了重要的理论指导。
他的研究成果在国内外引起了广泛关注，并得到了工程界的认可和应用。
柯世堂教授的研究成果不仅在学术界取得了广泛的影响，也在实际工程中得到了应用。
降低超高层建筑横风向响应气动措施研究进展
降低超高层建筑横风向响应气动措施研究进展顾明;张正维;全涌【期刊名称】《同济大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(041)003【摘要】With the development of science and technology, modern super-tall building is becoming more slender and flexible, which will lead to more serious across-wind loads and responses of them. Measures for mitigation of across-wind loads and responses of super tall buildings are mainly aerodynamic measures, structural measures and additional dampers. Appropriate designing of architectural configuration or appropriate local modifications of cross-section of buildings can mitigate the across-wind loads and responses, which is the mechanism of aerodynamic measures. This paper presents an overview of the past and the recent work on aerodynamic measures for mitigation of across-wind responses of super tall buildings, including the selection of the basic cross-section configuration with good aerodynamic features, thernmodification of the corner details, the variation of cross-section shape along building height and the openings on building walls, and so on. Furthermore, issues of concern in the research and application are pointed out, and suggestions for future research are also given.%随着科学技术的进步,现代超高层建筑向高柔方向发展,其横风向荷载和响应问题越来越显著,成为结构设计中必须重点关注的问题.降低超高层建筑横风向荷载和响应的措施主要有空气动力学措施(简称气动措施)、结构措施以及外设阻尼器措施三种,其中气动措施的机制是通过设计合适的建筑外型(或适当的局部修正)使其满足抗风要求.对超高层建筑抗风气动措施的研究成果进行了总结,这些措施主要有:选择气动性能好的基本截面形状,横截面角部处理、横截面沿高度变化、立面开洞等.同时,还指出目前研究和工程应用中需要注意的问题,以及对今后研究提出建议.【总页数】7页(P317-323)【作者】顾明;张正维;全涌【作者单位】同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;南通大学建筑工程学院,江苏南通226019;同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092【正文语种】中文【中图分类】TU973.213;TU317.1【相关文献】1.气动措施对斜拉索风荷载及结构响应的影响 [J], 刘健新;李哲2.不同气动措施对特大型冷却塔风致响应及稳定性能影响分析∗ [J], 柯世堂;杜凌云3.全风向角下二维切角方形桥塔气动措施数值模拟 [J], 张亮亮;吴蕊恒;倪志军;吴波;;4.全风向角下二维切角方形桥塔气动措施数值模拟 [J], 张亮亮;吴蕊恒;倪志军;吴波5.超高层建筑横风向风致响应的非高斯性及峰值因子研究 [J], 全涌;侯方超;顾明因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
超大型冷却塔阻尼比现场实测及风振效应影响柯世堂
超大型冷却塔阻尼比现场实测及风振效应影响柯世堂1. 引言1.1 研究背景超大型冷却塔是工业生产中常见的设备，其结构复杂，高度巨大，受到风力等外部环境因素的影响较大。
在实际运行中，超大型冷却塔的结构稳定性和安全性至关重要，而阻尼比则是决定结构动力特性的关键参数之一。
研究超大型冷却塔的阻尼比现场实测及风振效应影响具有重要意义。
过去的研究多集中在理论模拟和小型试验上，而对于超大型冷却塔的实际现场数据缺乏系统性研究。
通过实地测量超大型冷却塔的阻尼比和探讨风振效应的影响，可以为其安全运行提供重要参考。
了解超大型冷却塔阻尼比的现场数据和风振效应的影响，有助于深入理解其结构动力特性，为冷却塔的设计、建设和运行管理提供科学依据。
我们选择柯世堂作为研究对象，通过实验研究来探讨超大型冷却塔阻尼比及风振效应对结构的影响，为相关行业提供参考和借鉴。
1.2 研究意义研究超大型冷却塔阻尼比现场实测及风振效应影响的意义，对于冷却塔结构的安全稳定具有重要意义。
冷却塔作为重要的工业设施，其阻尼比直接影响着结构的抗震性能和稳定性。
通过对阻尼比进行实测并研究其影响因素，可以为冷却塔结构设计提供科学依据，进一步提高其抗震能力，保障工业生产安全。
研究风振效应的影响也具有重要意义，风振效应是冷却塔结构容易受到的一种外部扰动，了解其影响和控制关键因素，有助于减少结构的振动响应，保证冷却塔的正常运行。
柯世堂观点提出了一些有关阻尼比和风振效应的研究思路，通过实验过程和结果分析将更加深入理解其观点的有效性和实用性。
研究此问题具有重要的工程实践意义和学术价值。
2. 正文2.1 超大型冷却塔阻尼比现场实测超大型冷却塔阻尼比现场实测是本研究的重要内容之一。
阻尼比是描述结构体系的阻尼特性的重要参数，直接影响结构的动态响应和稳定性。
在实际工程中，由于结构尺度越来越大，超大型冷却塔的阻尼比已成为研究的关键热点之一。
通过现场实测，可以准确获取超大型冷却塔的阻尼比值。
气象条件对大型桥梁风振响应的影响分析
气象条件对大型桥梁风振响应的影响分析随着经济的快速发展，大型桥梁在现代城市中起着重要的作用，为人们提供现代化的交通网络。
然而，桥梁所处的气象条件对其结构和稳定性产生了重要影响，特别是风振响应方面。
本文将分析气象条件对大型桥梁风振响应的影响，并探讨如何优化桥梁设计以减少风振效应。
首先，大型桥梁的风振响应受到多种气象条件的影响。
其中，风速是最为重要的因素之一。
当气象条件中存在强风时，其对桥梁的影响往往比较显著。
此外，其它气象条件如温度、湿度以及大气稳定度等也会对桥梁的风振响应产生一定的影响。
因此，要准确评估桥梁的风振响应，需要对气象条件进行综合考虑。
其次，风振响应是大型桥梁设计中需要重点关注的问题。
在桥梁设计的过程中，结构工程师需要充分考虑到桥梁所处的气象条件，以保证桥梁的结构安全。
例如，在设计中可以通过改变桥梁的结构参数来降低其风振响应，如添加附加的阻尼材料或增加桥梁的刚度。
此外，人们还可以利用风洞试验等方法来模拟桥梁在不同气象条件下的风振响应，以评估其结构的安全性。
另外，大型桥梁的地理位置也会对其风振响应产生重要影响。
例如，桥梁是否位于陡峭的山谷或河谷中，是否处于开阔的平原地带等，都会对其受到的风力大小和方向产生显著影响。
因此，在桥梁设计中，需要综合考虑地理位置因素，以确定最佳的设计方案，并减少桥梁的风振响应。
此外，气象条件对大型桥梁的维护和管理也有重要影响。
例如，在气象条件恶劣的情况下，桥梁的结构会受到更大程度的损坏，可能需要更频繁的维修和检查。
因此，在桥梁管理中，需要制定合适的维护计划，以保证桥梁在不同气象条件下的安全和稳定。
综上所述，气象条件对大型桥梁风振响应有着重要的影响。
在大型桥梁的设计和管理中，需要充分考虑气象条件，以降低桥梁的风振响应并提高其结构的安全性。
在未来，我们应该进一步研究和探索气象条件与桥梁的关系，以完善桥梁设计和管理的方法。
通过合理的设计和管理，我们可以建造更加稳定和安全的大型桥梁，为人们提供更加高效便捷的交通网络。
大型风电机组气动响应特性分析
大型风电机组气动响应特性分析纪斌;薛占璞;王云海;潘克强【摘要】针对大型风电机组柔性多体塔架-叶片耦合结构气动响应问题,文章提出了在不同偏航角度下的分析方法.根据该方法的流程图,建立了大型风电机组柔性多体塔架-叶片耦合结构动力学模型.采用谐波叠加法计算气动载荷分布,考虑塔影效应与风剪切的影响,得出诱导因子时程曲线与气动响应均值.计算结果表明:轴向与切向诱导因子变化较小,尾流稳定;偏航角逐渐增大导致塔顶顺风向位移均值减小,根方差值增大.该结果为大型风电机组运行过程中监测状态参数的变化与流体动力学分析提供了参考.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2019(037)006【总页数】5页(P937-941)【关键词】偏航;气动响应;塔影效应;柔性;谐波叠加法【作者】纪斌;薛占璞;王云海;潘克强【作者单位】贵州理工学院机械工程学院, 贵州贵阳 550003;河北科技大学机械工程学院, 河北石家庄 050018;贵州理工学院机械工程学院, 贵州贵阳 550003;贵州理工学院机械工程学院, 贵州贵阳 550003【正文语种】中文【中图分类】TK830 引言大型风电机组塔架-叶片耦合结构的气动响应直接决定了振动位移变化，从而对风力机发电效率产生影响。
塔架-叶片耦合结构作为承受空气动力的主要构件，气动响应产生的位移及变形对于大型风力机叶片设计、保障安全稳定运行起着重要作用。
针对风力机塔架、叶片气动特性分析，国内外学者进行了大量的研究工作。
徐磊[1]建立了多体系统动力学模型与气动模型的柔性叶片非线性气动弹性力学模型，从柔性叶片振动角度分析气弹响应，得出叶片的振动与气动力之间的气弹耦合明显的结论。
徐涛金[2]从风机整机传动链系统的角度建立了风机整机多体动力学仿真模型，分析其在外部风载作用下的动态响应特性，模拟风机在正常湍流、极端湍流以及空载工况下的运行情况，获得了不同工况下风机轮毂处风速、叶片变桨角度及轮毂输出转速、功率，以及风机主要零部件的运行情况。
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不同气动措施对特大型冷却塔风致响应及稳定性能影响分析摘要：为研究不同气动措施对特大型冷却塔结构风致强度及稳定性能的影响，以内陆某核电特大型冷却塔为例，对无气动措施和增设3种气动措施冷却塔进行刚体测压风洞试验.基于试验结果对比分析了不同气动措施下冷却塔表面平均和脉动风压特性，然后采用有限元方法进行不同气动措施下特大型冷却塔的动力特性、风致响应、局部和整体稳定性能研究，最终提炼出不同气动措施对特大型冷却塔结构抗风性能的影响规律.关键词：特大型冷却塔；气动措施；风洞试验；风压特性；风致响应；稳定性中图分类号：TU279.741 文献标识码：A文章编号：1674-2974（2016）05-0079-11Abstract：To study the wind-induced strength and stability properties of large cooling towers with different aerodynamic measures，the pressures of the rigid-body models without or with three different aerodynamic measures were measured by the wind tunnel tests. A nuclear super-large cooling tower inland was considered as the test specimen. The surface windmean and fluctuating pressure characteristics were investigated from the test results. Furthermore，finite element analysis was conducted to evaluate the dynamic characteristics of natural vibration，the wind-induced response，and the overall and local stability. Finally，the effective rules of the different aerodynamic measures on wind resistance for super-large cooling tower were proposed.Key words：super large cooling towers；aerodynamic measures；wind tunnel test；wind pressure characteristic；wind-induced response；stability随着能源产业结构的调整，作为火/核发电厂重要构筑物之一的冷却塔的规模日趋高大化，国内规范条款仅针对高度在165 m以下的冷却塔，其已无法满足当前特大型冷却塔建设的需求，同时塔高和直径的增大使特大型冷却塔在风荷载作用下的承载能力和稳定性能成为制约其发展的瓶颈之一[[1-2].国内外学者采用风洞试验和有限元方法对大型冷却塔的风致稳定性能进行了大量研究[[3-6]，为其抗风设计提供了很好地技术支持.然而，国内外已有研究成果均未涉及不同气动措施[[7-8]下特大型冷却塔的风压分布特性，更缺乏不同气动措施对其风致响应和稳定性影响的定性和定量分析.鉴于此，本文以内陆某核电特大型冷却塔工程为背景，对无气动措施和增设3种不同气动措施的冷却塔进行刚体模型测压风洞试验，基于试验结果对比分析表面平均和脉动风压特性；再采用有限元方法进行不同气动措施下特大型冷却塔的风致响应及整体和局部稳定性研究，并与无气动措施下冷却塔的计算结果进行对比分析，最终提炼出不同气动措施对特大型冷却塔结构抗风设计的影响规律，主要结论可为此类特大型冷却塔气动措施的选取提供依据.1 风洞试验及结果分析1.1 刚体测压风洞试验本试验结构原型采用江西某核电特大型自然通风冷却塔[[1]，塔高215 m，淋水面积18 300 m2，喉部高度160 m，中面半径49.64 m，塔筒分段等厚，最小厚度0.26 m，最大厚度1.8 m.表1给出了该工程冷却塔的主要结构尺寸.测压试验所用风洞为全钢结构闭口回流式低速大气边界层风洞，刚体模型采用1∶500缩尺比，沿环向和子午向共布置36×12个测点.同时在来流前部放置三角尖劈和地面粗糙元来模拟B类地貌的大气边界层风场.由于物理风洞本身的局限性，可通过适当改变模型表面粗糙度和调整试验风速来近似模拟冷却塔高雷诺数时的绕流特性[[9-10].通过比较确定采用二三层纸带间隔分布的形式沿圆周均匀布置宽5 mm，厚0.1 mm共计36条竖向通长粗糙纸带和来流风速10 m/s手段来模拟雷诺数效应（模型雷诺数为1.51×105）.图1给出了在10 m/s试验风速下冷却塔中间断面平均表面压力系数分布与规范值[[11]的对比曲线，由图比较可知二者吻合较好，故后续不同气动措施下的冷却塔模型均采用此雷诺数模拟方法.3种气动措施分别为：在进风口上部设置外部进水槽、矩形导风板和弧形导风板，每种导风装置的尺寸如图2所示.相应计算模型简称无措施、措施1、措施2和措施3.其中不同气动措施模型如图3所示.1.2 结果分析图4给出了子午向0～50 m，50～100 m，100～150 m 和150～215 m高度区间内4种气动措施下冷却塔平均风压随环向角度变化曲线.由图可知，随着高度区间的增大，不同气动措施下冷却塔外表面的平均风压系数与无气动措施的分布差别越来越小，最大影响量从27.69%降至18.02%，在150～215 m高度区域内基本与无气动措施风压曲线分布一致，局部点差异较大；不同气动措施对120°～240°角度范围内即背风区域的风压系数影响较大，对侧风区域和迎风区域的平均风压影响相对较小. 图5给出了子午向0～50 m，50～100 m，100～150 m和150～215 m高度区间内不同气动措施下冷却脉动风压系数均方根对比曲线，对比可知在0～50 m范围内，4种冷却塔脉动风压系数均方根差别较大，最大百分比为33.87%，但随着塔高的增大不同气动措施下的脉动风压均方根逐渐接近无气动措施的分布曲线，且沿环向角度的变化规律趋于一致；在120°～240°角度范围内即背风区域不同气动措施对脉动风压的影响最为显著，在其他角度范围内区别相对较小.2 动力特性分析采用有限元方法分别对4种气动措施下的特大型冷却塔进行动力特性分析，图6给出了对应的有限元整体及局部模型，塔筒采用Shell63单元，子午向和环向分别划分为135和160个单元，支柱和环基采用Beam188单元，环基下部采用空间弹簧单元模拟弹性地基，每根桩基均采用3个力和力矩弹簧单元分别模拟桩沿竖向、环向、径向、绕竖向、绕环向和绕径向的作用，弹簧单元一端与环基刚性连接，另一端与地面固接约束，环基与支柱下部刚接，支柱上部与塔筒下部节点耦合.图7给出了4种塔型前100阶频率对比曲线.图8给出了4种冷却塔第一阶振型对比图.由图可看出：无气动措施冷却塔首阶振型为环向谐波的有3个，竖向谐波的有2个，而3种气动措施下冷却塔第一阶振型特性完全一致，环向谐波有4个，竖向谐波2个且下部竖向谐波形状完整.由图可看出，四者基频分别为：气动措施2（0.657 0）> 气动措施1（0.656 6）> 气动措施3（0.656 2）> 无气动措施（0.643 8）；措施2冷却塔的各阶频率相比其他三者为最大，在0～60阶范围内，措施1和措施3两种冷却塔的频率十分接近.3 同组风压下冷却塔的受力性能分析本节均采用无气动措施冷却塔外表面的平均风压系数对4种冷却塔模型进行加载分析.3.1 环基与支柱响应图9和图10给出了同一组风荷载作用下不同气动措施冷却塔环基径向位移曲线和支柱轴力曲线，由图分析可知：1）气动措施的设置对于环基侧风区域的径向位移影响最大，对背风区域影响相对略小，对迎风区域的环基径向位移影响最小，4者几乎吻合；2）不同气动措施下冷却塔的支柱轴力分布趋势一致，在侧风区和背风区局部支柱处略有差别.3.2 塔筒响应图11给出了同一组风压下塔筒70°子午线上的节点径向位移和单元环向应力沿高度变化曲线图.由图可见当对不同气动措施冷却塔施加同一组风压时，70°子午线上的节点径向位移和单元环向应力几乎没有差别，仅在气动措施所在处高度及喉部有较小差别.3.3 整体稳定性验算进行整体稳定性[12]验算的输入荷载组合为自重+K（风荷载+内吸力），K为失稳特征值，失稳临界风速是K与基本风速的乘积，此时的风荷载均为无气动措施下冷却塔的表面风荷载.计算得到4种气动措施下冷却塔的屈曲系数、临界风速及屈曲模态如表2所示.由表可知：1）气动措施的设置可以提高冷却塔的静风整体稳定性；2）同一风荷载作用下措施1对提高冷却塔整体稳定性的影响效果最好，此时对应的屈曲失稳临界风速为217.29 m/s.4 风致响应特性本节采用不同气动措施下对应各自的冷却塔外表面平均风压系数对四种冷却塔进行静风加载，具体研究不同气动措施及其风压分布对冷却塔受力性能和屈曲稳定的影响.4.1 环基位移图12给出了不同气动措施下冷却塔环基的径向、环向和竖向位移曲线.由图可见：1）对应风荷载作用不同气动措施对冷却塔环基的变形影响作用较大，4种塔型位移变化规律一致；2）不同气动措施对冷却塔的位移影响在侧风区域和背风区域影响较大，在迎风区域影响较小；3）冷却塔的竖向位移变化剧烈，不同范围内的节点竖向位移突变严重.4.2 支柱内力图13给出了不同气动措施下冷却塔支柱顶部轴力变化曲线，按支柱倾斜方向分为奇数支柱和偶数支柱.由图看出：1）奇数支柱与偶数支柱轴向力呈轴对称；2）不同气动措施下冷却塔的支柱轴向力分布趋势几乎相同，无气动措施奇数和偶数支柱轴向力分别在支柱编号16～24范围内和编号24～32范围内突然减小，其它范围内冷却塔支柱轴向力以气动措施1作用下最大，以无气动措施作用下为最小，气动措施2和3对支柱轴向力影响相当.4.3 塔筒位移选择迎风点（0°）、零压力系数点（30°）、负压极大值点（70°）及背风点（180°）4个代表性区域进行不同气动措施冷却塔的筒壁位移响应分析.图14给出了不同气动措施冷却塔在各自风荷载作用下的塔筒0°，30°，70°及180°子午线上径向位移随高度的变化曲线.对比分析可得：1）不同气动措施冷却塔在0°和70°子午线上节点径向位移在喉部以下比较接近，在喉部以上数值稍有差异，最大相差12.67%；2）在30°子午线上的径向位移差异较大，125 m以下无气动措施冷却塔位移最大，带弧形导风板冷却塔位移最小，达到喉部高度后位移突然减小，其中以无气动措施冷却塔减小趋势最明显；3）180°子午线上节点位移在塔筒中下部以无气动措施冷却塔最大，达到喉部高度后位移均开始减小.喉部壁厚较薄，属于冷却塔的薄弱部位，有必要对其径向位移分布特性进行研究.图15给出了4种气动措施下冷却塔的喉部径向位移随角度的变化曲线，可将0.00圆环假定为冷却塔喉部原形.由图可见4种冷却塔的喉部径向位移大小和变化趋势几乎一致，其中喉部最大径向负位移-0.041出现在正迎风角0°处，最大正位移0.036出现在±70°附近；在0°～45°范围内，径向位移为负，且逐渐减小；45°～70°范围内，径向位移为正，且逐渐增大；70°～100°范围内，径向位移为正，且逐渐减小；100°～180°范围内，径向位移先增大后减小至0继而增大至0.005左右.。