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摘 要：以某189m大型冷却塔为研究对象，探讨了增加子午向肋条后双曲冷却塔的结构动力特性，结构稳定性、结构内力及总体造价指标相比光滑冷却塔的变化，研究表明加肋后双曲冷却塔结构自振频率降低、结构局部稳定提高、塔筒特征内力下降，工程造价相比光滑塔有所降低，因此建议在未来的大型冷却塔设计中可以考虑在塔筒表面增加子午向肋条。
关键词：双曲冷却塔;子午向肋条;结构动力特性;工程造价
1 冷却塔结构尺寸与荷载取值
1.1 结构尺寸
本文中某大型冷却塔高189m，喉部高度142.3m，下环梁高度15.4m，塔筒顶部直径85.4m，喉部直径78.3 m，下环梁直径130.8m，塔筒采用48对直径1.3m的人字柱支撑，环基宽7.5m，高2.5m，环基中心直径为143m，下环梁处的塔筒壁厚为1.35m，喉部处的壁厚为0.25m，塔顶处的壁厚为0.40m（原型结构有限元模型见图1）。当该冷却塔带子午向加劲肋时，对于肋条的数量，宽度和厚度国内外没有统一的规定，综合考虑文献[1]中子午向肋条的布置形式，本文中选取24道通长肋条，同时肋条厚度为1.25倍该高度处的壁厚，宽度为3.75倍该高度处的壁厚。
1.2 风荷载取值
对于光滑塔和子午向加肋塔风荷载的取值，中外规范略有差异，德国冷却塔设计规范（VGB-R 610U）[2]根据肋条厚度与相邻肋条间距的比值将平均风压曲线分为K1.0、K1.1、K1.2、K1.3，肋条厚度愈大，冷却塔侧风区的最大吸力越小，当冷却塔表面不加肋时，根据表面有无粗糙度，又将平均风压分布曲线分为K1.5、K1.6（见图2）;相比与德国规范，我国水工设计规范（DL/T 5339-2006）[3]的规定就较为简单，只给出了无肋双曲冷却塔和加肋双曲冷却塔的平均风压取值，两类风压分布的八项式曲线见图3。
对于无肋双曲冷却塔分别为-0.4426、0.2451、0.6752、0.5356、0.0615、-0.1384、0.0014、0.0650;
对于加肋双曲冷却塔分别为-0.3923、0.2602、0.6024、0.5046、0.1064、-0.0948、-0.0186、0.0468。
通过图3中两类冷却塔中部平均风压对比可以看出：增加了子午向加劲肋后，迎风区正压与侧风区负压有所降低，尤其在侧风区，不仅最小负压数值降低，而且最小负压出现的角度相对光滑塔提前了10°，说明表面加子午向肋条使得冷却塔表面绕流形式和涡脱形式发生了变化，涡脱分离点提前;对于背风区的负压，加劲肋对其影响很小。
在风荷载的其他取值中，基本风压为0.35KPa，地面粗糙度取为B类地貌，即平均风剖面指数为0.15，冷却塔的风振系数取为1.9，塔筒内压根据VGB规范取塔顶风压的-0.5，并沿塔筒环向和子午向均匀分布。
1.3 其他荷载取值
冷却塔在运营期内除了受到风荷载外，还受自重荷载、冬温夏温荷载及地震荷载，其中自重荷载中重力加速度取值为9.81m/s2;夏温中处的筒壁温差为15℃;冬温荷载中选取环梁无档水设施的单元系统，即进风口上缘温度为0℃、淋水填料层温度为15℃、淋水层以上温度为10℃，塔筒外温度为-10℃;地震荷载采用反应谱进行计算，反应谱计算模态阶数为1000阶（保证了水平地震和竖向地震的模态质量参与系数达到了95%以上）、地震烈度为7度、特征周期为0.45s、水平地震影响系数为0.25、竖向地震与水平地震的比值为0.65、模态的阻尼比为0.05。
2 结构特性分析
2.1 结构动力特性分析
风荷载下的冷却塔风振分析其实质为结构动力分析，动力分析的关键因素之一便是结构的动力特性。子午向加劲肋对结构刚度贡献非常有限，其刚度贡献多被肋条的质量所抵消，从而使得结构自振频率相比不增反减，当然也可以预想，在风荷载动力作用下，子午向加肋冷却塔更容易产生共振效应。
2.2 结构稳定性分析
在火力发电厂水工设计规范中（DL/T 5339-2006）需要对冷却塔的整体稳定和局部稳定进行验算，其中整体稳定系数仅与冷却塔所用混凝土材料、塔筒喉部半径及塔顶设计风速有关（公式见DL/T5339-2006第9.4.14条规定），与塔筒表面分压分布无关。
在局部稳定验算中（公式见DL/T5339-2006第9.4.14条规定），需考虑外表面风压分布，内吸力效应及风振系数，加肋塔的局部稳定系数相对于光滑塔有所增大，除冷却塔顶部区域和底部区域外，塔筒中部区域局部稳定系数最小值大于增大7%左右，这是由于冷却塔加肋后侧风区的负压减小所致，这也说明加肋后能提高冷却塔结构风荷载下的稳定性。
2.3 结构受力特性分析
对于冷却塔塔筒，共有四个特征内力响应，即环向轴力、环向弯矩、子午向轴力、子午向弯矩。图4给出了加肋前后冷却塔四个特征响应极值的变化情况，负值表示加肋后内力响应减小，正值表示加肋后内力响应增大，可以看出冷却塔加肋后除了子午向轴力在塔顶部增大外，其余特征内力均较光滑塔减小，子午向轴力减小最小，小于5%，其余特征内力最大值减小幅度在10%～30%之间，这说明加肋后对结构内力的影响较为明显。
3 结构经济造价分析
在实际工程中，业主方关注的往往是冷却塔的经济指标或者说是投资造价，本文根据实际设计给出的了混凝土总用量、钢筋总用量及总体预估造价，见表1，可以看出由于肋条的原因，混凝土用量有所提高，但由于表面风荷载的减小，钢筋用量下降，最终使得加肋后的整体总造价相比光滑塔下降了2.26%，可以帮助业主节省近百万元。
表1 光滑塔与加肋塔总体预估造价
4 结论
本文对某大型冷却塔进行了加肋和不加肋下的结构动力特性分析、稳定性分析、塔筒内力分析和经济造价评价，可以得出如下结论：
①子午向肋条对结构刚度贡献很小，其刚度贡献多被肋条的质量所抵消，从而使得加肋塔结构自振频率相比光滑塔有所降低;
②子午向肋条有利于提高冷却塔局部稳定，降低塔筒特征内力;
③加肋塔相比光滑塔虽然混凝土用量有所提高，但钢筋用量下降，最终使得结构总体造价降低。
因此本文建议在国内未来的大型冷却塔建设中可以考虑在表面增加子午向肋条的结构措施。
参考文献：
[1]张军峰，葛耀君，赵林.加劲环和加劲肋对冷却塔结构动力特性的影响[J].力学与实践，2014，36（1）：42-47.
[2]VGB-R 610.Structural design of cooling towers，VGB Power Tech e.V.，Essen，2010.
[3]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 5339-2006，火力发电厂水工设计规范[S].北京：中国电力出版社，2006.
关键词：双曲冷却塔;子午向肋条;结构动力特性;工程造价
1 冷却塔结构尺寸与荷载取值
1.1 结构尺寸
本文中某大型冷却塔高189m，喉部高度142.3m，下环梁高度15.4m，塔筒顶部直径85.4m，喉部直径78.3 m，下环梁直径130.8m，塔筒采用48对直径1.3m的人字柱支撑，环基宽7.5m，高2.5m，环基中心直径为143m，下环梁处的塔筒壁厚为1.35m，喉部处的壁厚为0.25m，塔顶处的壁厚为0.40m（原型结构有限元模型见图1）。当该冷却塔带子午向加劲肋时，对于肋条的数量，宽度和厚度国内外没有统一的规定，综合考虑文献[1]中子午向肋条的布置形式，本文中选取24道通长肋条，同时肋条厚度为1.25倍该高度处的壁厚，宽度为3.75倍该高度处的壁厚。
1.2 风荷载取值
对于光滑塔和子午向加肋塔风荷载的取值，中外规范略有差异，德国冷却塔设计规范（VGB-R 610U）[2]根据肋条厚度与相邻肋条间距的比值将平均风压曲线分为K1.0、K1.1、K1.2、K1.3，肋条厚度愈大，冷却塔侧风区的最大吸力越小，当冷却塔表面不加肋时，根据表面有无粗糙度，又将平均风压分布曲线分为K1.5、K1.6（见图2）;相比与德国规范，我国水工设计规范（DL/T 5339-2006）[3]的规定就较为简单，只给出了无肋双曲冷却塔和加肋双曲冷却塔的平均风压取值，两类风压分布的八项式曲线见图3。
对于无肋双曲冷却塔分别为-0.4426、0.2451、0.6752、0.5356、0.0615、-0.1384、0.0014、0.0650;
对于加肋双曲冷却塔分别为-0.3923、0.2602、0.6024、0.5046、0.1064、-0.0948、-0.0186、0.0468。
通过图3中两类冷却塔中部平均风压对比可以看出：增加了子午向加劲肋后，迎风区正压与侧风区负压有所降低，尤其在侧风区，不仅最小负压数值降低，而且最小负压出现的角度相对光滑塔提前了10°，说明表面加子午向肋条使得冷却塔表面绕流形式和涡脱形式发生了变化，涡脱分离点提前;对于背风区的负压，加劲肋对其影响很小。
在风荷载的其他取值中，基本风压为0.35KPa，地面粗糙度取为B类地貌，即平均风剖面指数为0.15，冷却塔的风振系数取为1.9，塔筒内压根据VGB规范取塔顶风压的-0.5，并沿塔筒环向和子午向均匀分布。
1.3 其他荷载取值
冷却塔在运营期内除了受到风荷载外，还受自重荷载、冬温夏温荷载及地震荷载，其中自重荷载中重力加速度取值为9.81m/s2;夏温中处的筒壁温差为15℃;冬温荷载中选取环梁无档水设施的单元系统，即进风口上缘温度为0℃、淋水填料层温度为15℃、淋水层以上温度为10℃，塔筒外温度为-10℃;地震荷载采用反应谱进行计算，反应谱计算模态阶数为1000阶（保证了水平地震和竖向地震的模态质量参与系数达到了95%以上）、地震烈度为7度、特征周期为0.45s、水平地震影响系数为0.25、竖向地震与水平地震的比值为0.65、模态的阻尼比为0.05。
2 结构特性分析
2.1 结构动力特性分析
风荷载下的冷却塔风振分析其实质为结构动力分析，动力分析的关键因素之一便是结构的动力特性。子午向加劲肋对结构刚度贡献非常有限，其刚度贡献多被肋条的质量所抵消，从而使得结构自振频率相比不增反减，当然也可以预想，在风荷载动力作用下，子午向加肋冷却塔更容易产生共振效应。
2.2 结构稳定性分析
在火力发电厂水工设计规范中（DL/T 5339-2006）需要对冷却塔的整体稳定和局部稳定进行验算，其中整体稳定系数仅与冷却塔所用混凝土材料、塔筒喉部半径及塔顶设计风速有关（公式见DL/T5339-2006第9.4.14条规定），与塔筒表面分压分布无关。
在局部稳定验算中（公式见DL/T5339-2006第9.4.14条规定），需考虑外表面风压分布，内吸力效应及风振系数，加肋塔的局部稳定系数相对于光滑塔有所增大，除冷却塔顶部区域和底部区域外，塔筒中部区域局部稳定系数最小值大于增大7%左右，这是由于冷却塔加肋后侧风区的负压减小所致，这也说明加肋后能提高冷却塔结构风荷载下的稳定性。
2.3 结构受力特性分析
对于冷却塔塔筒，共有四个特征内力响应，即环向轴力、环向弯矩、子午向轴力、子午向弯矩。图4给出了加肋前后冷却塔四个特征响应极值的变化情况，负值表示加肋后内力响应减小，正值表示加肋后内力响应增大，可以看出冷却塔加肋后除了子午向轴力在塔顶部增大外，其余特征内力均较光滑塔减小，子午向轴力减小最小，小于5%，其余特征内力最大值减小幅度在10%～30%之间，这说明加肋后对结构内力的影响较为明显。
3 结构经济造价分析
在实际工程中，业主方关注的往往是冷却塔的经济指标或者说是投资造价，本文根据实际设计给出的了混凝土总用量、钢筋总用量及总体预估造价，见表1，可以看出由于肋条的原因，混凝土用量有所提高，但由于表面风荷载的减小，钢筋用量下降，最终使得加肋后的整体总造价相比光滑塔下降了2.26%，可以帮助业主节省近百万元。
表1 光滑塔与加肋塔总体预估造价
4 结论
本文对某大型冷却塔进行了加肋和不加肋下的结构动力特性分析、稳定性分析、塔筒内力分析和经济造价评价，可以得出如下结论：
①子午向肋条对结构刚度贡献很小，其刚度贡献多被肋条的质量所抵消，从而使得加肋塔结构自振频率相比光滑塔有所降低;
②子午向肋条有利于提高冷却塔局部稳定，降低塔筒特征内力;
③加肋塔相比光滑塔虽然混凝土用量有所提高，但钢筋用量下降，最终使得结构总体造价降低。
因此本文建议在国内未来的大型冷却塔建设中可以考虑在表面增加子午向肋条的结构措施。
参考文献：
[1]张军峰，葛耀君，赵林.加劲环和加劲肋对冷却塔结构动力特性的影响[J].力学与实践，2014，36（1）：42-47.
[2]VGB-R 610.Structural design of cooling towers，VGB Power Tech e.V.，Essen，2010.
[3]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 5339-2006，火力发电厂水工设计规范[S].北京：中国电力出版社，2006.