针对钢结构间接空气冷却塔，展开设计方法的研究，进行钢结构间接空气冷却塔设计方法的研究。

乐 威 赵 立

(武汉一冶钢结构有限责任公司， 武汉 430080)

摘要：以国外某座一百六十五米高的钢结构空冷塔当作设计原型，在国内已有的研究成果之上，进一步去研究国内规范条件之下，钢结构间接空气冷却塔结构的可行性，借助对钢结构空冷塔结构的整体屈曲分析，反向推导出结构主要受力构件的计算长度系数，进而对结构达成进一步的优化；借助有限元计算软件MIDAS，分别针对二十四对、三十对、三十六对斜柱空冷塔模型展开计算，在不影响结构整体性能的前提条件下，优化空冷塔结构钢材用量，最终得出的结果显示，模型结构的钢材用量基本保持在五千吨左右，由此确保了钢结构空冷塔的经济。 问题没解决？试试下一支语音智能笔。

关键词：空冷塔； 屈曲分析； 有限元； 用钢量

当下，国外存在把钢结构体系应用于间接空冷塔建设的成功实例，可看图1，然而国内在此方面的建设还是空白，不过已有好些单位在开展相关技术的研究，因缺少资料，多数研究停留在简单的初级建模阶段。鉴于这种情况，本文运用有限元方法，系统探究了钢结构间接空气冷却塔在恒荷载作用下的屈曲模态，并且利用逆推稳定承载力公式的方式，对塔筒斜柱的计算长度系数予以分析，依据塔筒屈曲模态定性剖析了塔筒结构的受力特性以及结构体系。最后，利用结构的受力特点对结构用钢量进行优化。

图1 国外建成空气冷却塔项目实景

1 结构模型及参数

基于国外已建成的钢结构空冷塔项目，有一个拟建的钢结构间接空冷塔原型，它的塔高是165米，它的出口直径为94米，它的喉口高度为126米，它的喉口直径为89米，它的底部直径为132.18米。

借助偶数对斜向柱，按照特定的方位角，围绕中心进行旋转之后，自然而然地形成双曲抛物面，随后沿着塔身高度，设置若干道加强环桁架，加强环选用三角形桁架，将其作为斜柱在双曲抛物面外部的支撑点。空冷塔塔筒结构整体模型如同图2所展示的那样。

图2 空气冷却塔三维模型示意

2 荷载取值

对于荷载环境条件而言，空冷塔结构进行计算，应该把结构自重考虑进去，同时还要考虑风荷载，以及地震作用，还有温度作用，另外施工荷载也需要考虑。空冷塔拟建设，其抗震设防烈度是8度，基本地震加速度为0.2g，场地类别为Ⅲ类，恒荷载只考虑结构自身自重以及蒙皮结构重量，蒙皮结构依照风荷载局部承压计算后统计自重，且按0.626 kN/m的线荷载施加于每根斜柱上，活荷载取值仅考虑施工荷载，结构温度荷载考虑整体内外温差，按40 ℃考虑，日光照射产生的温差，正向温差按20 ℃考虑，垂直向温差按10 ℃考虑。

风荷载进行计算期间，基本风压w0是0.76 kN/m2，地面粗糙度属于B类，风振系数以及风荷载体型系数，能够分别依照GB 50009 - 2012《建筑结构荷载规范》里公式去计算：

(1)

其中，βz是高度z处的那个风振系数，μs是风荷载体型系数，μz是风压高度变化系数，w0是风荷载标准值 。

或者依据DL/T 5339 - 2006《火力发电厂水工设计规范》里面的公式来进行计算，。

(2)

其中，w(Z,θ)，它是作用在塔表面上的等效风荷载标准值，单位是kN/m2 ；β是风振系数；Cp(θ)为平均风压分布系数，该系数是由规范DL/T 5339 - 2006中的公式来计算的。

(3)

要分别展开计算，在这个过程里，两部规范所对应的计算结果，稍微有那么一些不同，就像表1以及表2所展示的那样。当施加了风荷载之后，其产生的局部效果，像图3呈现出来的那般 。

鉴于缺少相关试验资料，不能够针对结构真实的风荷载取值，开展准确计算，所以总的风荷载计算，全都是依照DL/T 5339 - 2006来进行的。

表1 风振系数对比

高度为这些数值，分别是28.855，1.1；51.897，1.2；71.38，1.3；8.43，1.4；104.16，1.5；119.15，1.6；133.93，1.7；149.03，1.7；165.00，1.8；还有多个2.3，分别对应这些高度数值 。

表2 体型系数对比

角度为(°)，GB50009 - 2012，DL/T5339 - 2006，0、15、30、45、60、75、90、105、120、135、150、165，1.0、0.8、0.1、 - 0.7、 - 1.2、 - 1.5、 - 1.7、 - 1.2、 - 0.7、 - 0.5、 - 0.4、 - 0.4，1.0、0.8、0.1、 - 0.

图3 结构风荷载分布

3 有限元计算结果

3.1 结构非线性屈曲分析

以文献所阐述的内容来看，侧向荷载仅仅带来轴力的不均匀散布，并不会使层间轴力的总和得以增大，所以在屈曲分析进程当中可不将地震作用以及风荷载等侧向荷载予以考量，仅需考虑恒荷载以及自重作用状况下结构的屈曲 。

运用有限元分析软件MIDAS GEN，针对各种组合情形下的结构反应，展开模拟计算，其中非线性屈曲分析的计算结果，如同图4所呈现的那样。

从前 3 阶模态在恒荷载和气自重共同发生作用的时候能够看出，结构的那主要屈曲的形式展现为下层斜柱的局部进行屈曲，并没有展现出存在侧移框架柱屈曲的那些特点，所以判断空冷塔筒体在竖向荷载发生作用时的失稳，是属于弱支撑框架。童根树指出，当框架柱轴力存在比较大的差异的时候，仅仅底层柱的失稳荷载是真实的，其他层的失稳轴力仅仅代表和底层柱的比例关系，并不是真实的失稳轴力。

a-1阶；b-2阶；c-3阶

图4 30对斜柱模型前3阶屈曲模态

3.2 斜柱的计算长度系数

空冷塔拟被建设，其抗震设防烈度设定为8度，基本地震加速度是0.2g，所处的环境归属高烈度地区，依据GB 50011 - 2010《建筑抗震设计规范》的相关要求，构件构造长细比存在限值为 。最后这句你原句没写完，我就先这样保留了哈。

拿从下往上数第一道以及第二道加强环桁架之间的广义第二层当作例子，借助有限元分析得出斜柱的失稳轴力之后，依据公式(4)反向推算出钢柱的计算长度系数μ，计算结果像表3展示 的那样。

(4)

其中存在这样的情况啊，Pcr它所代表的是弹性失稳临界荷载，μ呢是下层柱的无侧移计算长度系数，然后h是下层柱的几何长度 。

表3 广义二层柱计算长度

柱号，轴力值为/kN，屈曲因子，截面惯性矩是/m4，计算长度系数，计算长度为/m，广义二层柱，数值是975.69，239.162，0.00662，0.952，18.09 。

经计算得出的结果显示，广义第二层那里的斜柱，其计算长度的系数，远远相较于依照有侧移钢框架来计算所获取的结果要小。所以，依据弱支撑结构去开展空冷塔塔筒结构的计算，是具备合理性且有效的。

沿塔筒高度方向设置有每道加强环桁架，其每道所取截面是相同的，所以能够由第二个广义层的计算长度系数进一步反过来推出加强环桁架对斜柱的约束刚度大小，依据GB 50017 - 2003《钢结构设计规范》附录D - 1可以求得各层柱的计算长度系数，进而能够得出各层柱最小构造截面，情况如表4所示。

表4 广义二层柱计算长度系数

柱编号为K2，其实际长度是125.219米，计算长度系数是0.136，另一柱编号为K1 ，计算长度系数是0.717 。有一个长度为221.034米的情况，其相关计算长度系数分别是K2的0.136 ，K1的0.125 ，还有一个系数是0.952 。又有长度为18.178米的钢结构冷却塔，其计算长度系数中K2是0.125 ，K1是0.131 ，另一个系数是0.957 。再看长度为16.198米的，K2的计算长度系数是0.131 ，K1是0.138 ，还有系数0.947 。长度为14.833米时，K2系数0.138 ，K1系数0.

注意，K1是那种指代柱上端环桁架线刚度跟柱线刚度相比较的比率，K2则是表示柱下端环桁架线刚度同柱线刚度相较之下所成的比率。

3.3 环状加强桁架设计要求

对空冷塔塔筒斜柱展开计算时，需要依照面内也就是环向、面外也就是径向分别来开展计算工作。斜柱环向的计算长度相较于径向计算长度而言，要远远短很多，要是仅仅计算径向的话，那么环向自己就能够满足相应要求，加强环桁架呈现出如图5所示的样子。

图5 加强环桁架示意

在空冷塔整个受力进程里，加强环桁架不承受别的荷载，只是当作径向支座，用来缩减钢柱径向的计算长度。设置加强环能有效减小径向计算长度，也就是说加强环桁架是斜柱在径向的支座，加强环桁架得有一定的强度及刚度，其基本要求是各广义层加强环桁架当作支座承受荷载F，加强环桁架在荷载F作用下不出现平面外屈曲，并且确保斜柱不产生过大变形，这样就能作为径向支座，减小斜柱在径向的计算长度。

基于塔筒一阶屈曲模态（见图4）能够知道，结构一阶屈曲呈现出4个波形，波形沿着环向的反弯点位置弯矩是零，那么可以选取圆环的1/4拱当作计算单元，在各节点处施加水平集中荷载F，其计算模型如所图示的图6 。

图6 加强环桁架简化计算圆拱模型

4 截面计算方法与用钢量优化

4.1 空冷塔截面计算方法

空冷塔构件截面计算，应从以下3个方面考虑：

塔筒下部的柱，因要承受较大的自重荷载，所以应依据压弯构件，来对其稳定承载力做计算。

2)上部的柱，因为轴力小，而风荷载比较大，在风荷载作用之下，相应结构出现变形的情况，这成为结构计算时主要对其进行控制的因素，构件的截面，应当确保结构整体的刚度以及变形符合相关要求。

首先，沿塔筒自下而上设有加强环桁架，其次，该加强环桁架只作为斜柱的侧向支撑，再者，其作用是保证塔筒受力的整体性，最后，应按照设计要求对其进行计算。

在此情形之上，依然需要去符合GB 50011 - 2010里面有关受压构件长细比限制的规定，这是必须达成的要求。

4.2 结构用钢量优化

目前常见的各类研究分析里，空冷塔塔筒斜柱对数存在24对这种情况，还有30对以及36对这两种情况。影响斜柱计算的主要因素涵盖结构自重，以及长细比限值。所以，在确保长细比限值得以保证的前提条件之下，尽可能地去提高截面利用率，能够减轻结构自重，进而优化结构用钢量。

将24对塔筒模型开展有限元分析计算，把30对塔筒模型进行有限元分析计算，把36对塔筒模型用于有限元分析计算，当中的几何条件，以及荷载取值，参照上文，计算模型呈现如7图所示 。

a-24对斜柱；b-30对斜柱；c-36对斜柱

图7 塔筒计算模型

三组有限元模型，分别予以结构验算，之后进行界面设计，最后得出三组有限元模型主要构件截面计算结果，呈现于表5 ，犹如这般 。

3组有限元模型用钢量对比表明，按照长细比

表5 3组筒体模型主要截面及用钢量对比

模型类型为下部斜柱，尺寸是/(mm×mm)，加强环桁架腹杆尺寸为/(mm×mm)，加强环桁架弦杆尺寸为/(mm×mm)，总用钢量是/t，有24对模型，其尺寸是?1100×35，加强环桁架腹杆/(mm×mm)，加强环桁架弦杆/(mm×mm)时，总用钢量为4883.2，还有30对模型，其尺寸是?1050×35，加强环桁架腹杆/(mm×mm)，加强环桁架弦杆/(mm×mm)时，总用钢量为5032.6钢结构冷却塔，另外有36对模型，其尺寸是?1050×30，加强环桁架腹杆/(mm×mm)，加强环桁架弦杆/(mm×mm)时，总用钢量为5288.5 。

在限值进行初选的那些截面范围里，除开下层的柱子之外，别的广义层下面的柱子，都没有达到稳定应力比所规定的限值。结构的刚度乃是对构件截面产生影响的主要因素，这跟前面文中所论述的风荷载作为塔筒的主要控制荷载是相契合的。表5当中的数据显示，尽管24对斜柱模型所选用的截面更大，然而因为其构件的数量比较少，最终计算得出的用钢量反倒降低了。所以，在结构变形能够满足相应要求的前提条件下，尽可能地减少斜柱的对数，能够颇为有效地降低结构整体的用钢量，进而提升结构的经济性。

5 结 语

首先，对比GB 50009 - 2012和DL/T 5339 - 2006里，有关间接空气冷却塔塔筒风荷载的计算规定，得出结果，在塔筒高度不超规的这个前提情况下，建议采用DL/T 5339 - 2006来计算结构风荷载。

其次，借助有限元分析软件MIDAS GEN，针对塔筒于恒荷载作用的状况开展屈曲分析，运用广义第二层柱的屈曲承载力反过来推算出柱的计算长度系数，从而得到加强环桁架对各层柱的约束程度 。

经对结构前3阶屈曲模态予以分析，进而得出，结构失稳形式更趋近于无侧移失稳的那种弱支撑框架失稳形式，依据GB 50017 - 2003里有关无侧移框架柱计算长度系数的规定，最终得出各广义层柱的计算长度系数。

最后，有3组模型要进行细致的有限元模拟，这3组模型中斜柱对数依次是24对、30对、36对，据此求得结构用钢量，结构模型最终的用钢量大体控制在5 000 t上下。经对比分析发觉，鉴于塔筒归属于构筑物，竖向荷载小，风荷载才是结构的主要控制荷载。在确保结构变形符合要求的条件下，尽可能去减少斜柱的对数，能够有效地控制结构用钢量，进而达成提高经济性的目标。