钢筋混凝土双曲冷却塔是一种高耸空间薄壁结构,风荷载是其控制荷载。以往研究多关注冷却塔在风荷载作用下的内外表面风压分布、风振效应、群塔干扰效应和屈曲稳定性能,对于涉及材料非线性的冷却塔极限承载力的研究并不充分。因此,本文以一座双曲冷却塔为例,采用分层壳单元模拟塔筒,采用弥撒开裂模型模拟混凝土的非线性受压特性、受拉开裂和拉伸硬化效应,并计入几何非线性,研究了冷却塔从未受力状态到破坏全过程的非线性特性,并考察了其极限风荷载和破坏机理。本文主要工作如下:(1)采用ABAQUS软件建立了冷却塔线性有限元模型,获得了塔筒在自重、冬温、夏温和风荷载各自作用下的内力结果,并与ANSYS结果进行了对比。结果表明:多种单元类型配合全结构和半结构的ABAQUS模型,其所得结果均与ANSYS结果吻合良好,从而验证了所建模型正确,为后续非线性计算明确了建模方法,并掌握了塔筒在4种荷载单独作用下的内力特征:在自重作用下主要产生双向轴压力,在冬温和夏温荷载作用下主要产生双向弯矩,在风荷载作用下主要产生子午向轴力,但环向受力亦不可忽略。(2)在混凝土弥散开裂模型和钢筋双线性模型介绍的基础上,对Mc Neice板和Jain板这两种典型板结构进行数值模拟,并以Port Gibson冷却塔为例进行极限承载力计算,以验证所用非线性材料模型和计算方法的合理性。结果表明:弥散开裂模型可再现这两个板的试验结果,关键在于拉伸硬化参数的取值;本文所得Port Gibson冷却塔非线性结果与已有研究结果吻合良好。因此,本文所用非线性材料模型和计算方法的合理性得以验证。(3)针对本文算例冷却塔建立了冷却塔非线性有限元模型,分析了冷却塔在自重+风荷载和自重+冬温+风荷载这两种荷载组合作用下的极限风荷载和破坏机理。结果表明:在自重+风荷载作用下,开裂和极限荷载系数分别为1.384和2.007,冷却塔破坏原因为塔筒迎风区混凝土持续开裂和喉部子午向钢筋屈服;考虑冬温荷载后,冬温荷载产生的双向弯矩导致塔筒提前开裂,开裂荷载系数为1.0,但结构的最终破坏依然由风荷载控制,极限荷载系数为1.842。(4)分析了网格密度、单元类型、分层壳分层数量、剪切保留模型、拉伸硬化参数和几何非线性这6种计算参数对冷却塔极限风荷载的影响。结果表明,这6种计算参数均对开裂荷载无影响,而对极限荷载则有所区别;分层壳分层数量对极限荷载几乎没有影响;其余参数均对极限荷载有一定影响,并以拉伸硬化参数的影响最为显著,较大的拉伸硬化参数会导致极限荷载显著增大。(5)分析了混凝土抗拉强度、保护层厚度、塔筒壁厚、塔筒配筋率和刚性环这5类结构参数对冷却塔极限风荷载的影响。结果表明,混凝土抗拉强度对开裂荷载和极限荷载均有显著影响,二者均随混凝土抗拉强度的减小而近似线性减小;保护层厚度对开裂荷载无影响,对极限荷载也几乎无影响;配筋率对开裂荷载几乎无影响,但对极限荷载有显著影响,极限荷载随配筋率的增加近似线性增加;塔筒壁厚的变化会同时显著影响开裂荷载和极限荷载,且二者均随壁厚近似线性变化;刚性环对开裂荷载和极限荷载影响较小,其作用主要是显著抑制结构的变形。