翁旭然，戴君武，胡揚

(中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江，哈爾濱 150000)

0 引言

2005 年，S Sabouri－Ghomi等人［1］使用Ansys對地震荷載下的鋼筋混凝土冷卻塔進行了安全評估，得出支柱塑性鉸的產生對冷卻塔穩(wěn)定性的影響.2010年，薛文等人［2］用ABAQUS對不同場地類型上的超大型冷卻塔進行了地震性能研究，得出冷卻塔的塔身底部和喉部為薄弱位置，而且應避免在不利場地條件下建造.2012年，于敏等人［3］使用ABAQUS分析了豎向地震作用對超大型冷卻塔結構的影響，得出豎向地震作用對冷卻塔塔殼的豎向加速度和豎向位移、塔殼喉部主應力影響明顯的結論.但這些有限元分析的結果缺少試驗的對比和支持.

隨著熱力發(fā)電廠的飛速發(fā)展，超大型間接空氣冷卻塔(1 000 MW級)將在我國一些高烈度地區(qū)，例如中北部和西北部地區(qū)，設計并建造使用.為掌握超大型空氣冷卻塔的結構動力響應特性，獲得關鍵部位的地震響應，評價間接空氣冷卻塔結構抗震性能，為高烈度區(qū)1 000 MW級發(fā)電廠間接空氣冷卻塔的結構設計奠定基礎，本研究對其1∶30的縮尺模型進行地震模擬振動試驗，根據(jù)試驗結果，研究X支柱等關鍵部位的抗震節(jié)點設計，找出抗震薄弱環(huán)節(jié)，提出合理的抗震措施和結構建議.

1 空氣冷卻塔原型介紹

超大型空氣冷卻塔原型結構由中國西北電力設計院設計，為鋼筋混凝土結構，總高220 m，底部直徑188 m，喉部直徑106 m，塔筒為雙曲線，最大壁厚1 700 mm，最小壁厚375 mm，塔筒下部由58對29 m高的X型RC支腿支撐(圖1)，該塔若建成，將成為世界上最大的空氣冷卻塔.

圖1 空氣冷卻塔原型結構示意圖(單位:m)Fig.1 Structure of the super cooling tower(unit:m)

圖2 X型支柱應變布設位置示意Fig.2 Strain gage’s location of the X － pillars

2 地震模擬振動臺試驗

2.1 模型設計與制作

為滿足模型縮尺比盡可能大以提高試驗質量的要求，試驗模型采取1∶30的幾何縮尺比進行模型設計.考慮到冷卻塔為薄殼結構，采取鉛砂微粒混凝土來均布提高本體材料質量密度，而非配加外掛或粘貼人工質量的方式實現(xiàn)相似模擬，采用欠人工質量模型進行試驗，根據(jù)長度相似比、等效密度相似比及材料性能試驗測得的彈模，按照動力模型試驗一致相似率原理［4］推得模型相似關系(見表1).

表1 模型試驗相似關系Tab.1 Similitude constants of the model

2.2 試驗及加載方案

2.2.1 傳感器的布置

由于冷卻塔結構系軸對稱結構，試驗擬沿振動臺X、Y向，在曲面殼底環(huán)梁(X支柱柱頭子午向和環(huán)向)、喉部(子午向和環(huán)向)、頂環(huán)梁(內外環(huán)向)標高位置各選取一個測點;在對應位置各選取一X型支柱，在模型X型支柱的上下端部、以及X型支柱的交叉點上下支柱截面(左柱環(huán)向和徑向外側，右柱環(huán)向和徑向內側各一個)以及交叉中心(徑向內外側和環(huán)向一側)等5個標高上，布設位置如圖2所示，共布應變測點66個.

如圖3所示，沿振動臺X、Y兩個方向，在臺面及塔身四個標高處模型外側各選取一個測點，每個測點布設X、Y、Z向加速度傳感器，以測量空冷塔模型結構上述共10個測點位置沿X、Y、Z三個方向的加速度反應，共布設加速度傳感器10×3=30只.

如圖4所示，為獲得空冷塔結構的絕對位移地震反應和相對變形地震反應，沿振動臺X、Y兩個方向，對自振動臺臺面及塔筒4個關鍵標高位置共10個測點的水平X、Y向絕對位移反應(同加速度測點)、3個標高范圍內的兩段相對變形進行測量，布設絕對位移傳感器10×2=20只，以及相對位移傳感器4只，共布設絕對位移和相對位移測量傳感器24只.

圖3 加速度傳感器布設位置示意圖Fig.3 Location of the acceleration transducers

圖4 位移傳感器布設位置示意圖Fig.4 Location of the displacement sensors

2.2.2 臺面地震激勵輸入

為驗證該空冷塔在不同場地條件下的抗震性能，選取I～IV類場地每類場地3組地震加速度記錄(2組實際地震記錄和1組人工模擬記錄)，共12組地震進行地震激勵輸入，其中實際地震動從謝禮立院士原始編撰的《建筑抗震設計通則2004》［5］中精選的可用于時程分析的16組“最不利地震動”中選取.

試驗加載工況按加速度峰值由低到高排序，按照I～IV類場下7度多遇、8度多遇、7度偶遇，7度罕遇(8度地震)、8度罕遇5個級別72個工況進行3向地震動輸入，觀察檢驗模型結構在不同場地條件不同地震動激勵水平下的反應性態(tài).同時，在每個級別的地震模擬試驗工況前后，進行模型振動模態(tài)特性試驗，實時監(jiān)控模型結構在經歷每個階段地震動工況后的振動特性變化情況.地震波持時按照模型試驗相似關系壓縮為原波的6.58%，加速度峰值按《建筑抗震設計規(guī)范GB5001－2010》［6］和相似關系確定;按規(guī)范，3向加速度峰值比按1(主水平向X向)∶0.85(副水平向Y向)∶0.65(豎向Z向)進行調整.

2.3 試驗現(xiàn)象

7度、8度多遇地震下空冷塔基本完好，無明顯裂紋.在7度偶遇地震后在支腿上端出現(xiàn)少許細微橫向裂紋(圖5(a)).隨著加速度峰值增大，并隨著加速度峰值增大，支腿的上端與下端裂縫逐漸增多擴展，最終一些柱頭混凝土被壓潰(圖5(b))，并且在支腿四肢中段出現(xiàn)橫向裂紋(圖5(c)).塔筒上部晃動隨著地震加速度峰值增大顯著增大，7度罕遇地震(8度偶遇地震)后在負X向標高4.5 m處附近塔筒外側混凝土受壓掉落，出現(xiàn)長約60 cm水平裂縫(圖5(d))，8度罕遇地震時水平擴展，最終成為一條貫穿第二象限的水平裂縫(圖5(e))，并在另一側塔頂混凝土掉落，塔筒出現(xiàn)2條橫向受拉裂縫(4.5 m，6 m)(圖5(f)).在所有試驗工況結束后，最終模型結構未發(fā)生倒塌(圖5(g)).

圖5 支腿及塔筒破壞狀況Fig.5 Damage situation of support leg columns and tower drum

3 模型試驗結果

3.1 模型結構自振頻率

在每個級別的地震模擬試驗工況前后，均用白噪聲對結構進行了掃頻，得出了各階段基本自振頻率，如表2所示.由表2看出，初始狀態(tài)下兩個水平方向的頻率十分接近，驗證了該模型結構中心對稱，兩個方向剛度基本相等.隨著地震動峰值增加，結構損傷不斷加深，自振頻率不斷降低，X向頻率下降的幅度要大于Y向，這是由于進行3向地震動輸入時，X向為主向，Y向為副向，導致X向的損傷要大于Y向，最終X、Y向基本自振頻率分別降為原來的45.82%和56.92%.

表2 各級別地震工況前后結構基本自振頻率Tab.2 Structure’s basic frequency under five occurrences (Hz)

3.2 模型結構的動力反應

結構在地震動激勵下的位移響應可由位移傳感器獲得，分別沿X向、Y向從臺面至塔頂共5個關鍵截面標高處10個測點布設了位移傳感器，由試驗結果獲得各水準下X向和Y向最大位移響應包絡圖，如圖6所示.由圖6可見，塔筒中部的最大相對位移要大于塔筒上下端，由此可見塔筒發(fā)生了薄殼的局部振動.

圖6 模型結構水平最大位移包絡圖Fig.6 Displacement envelope diagram of the model

4 結語

1)通過對1 000 MW級熱力發(fā)電廠間接空氣冷卻塔結構1:30振動臺模型試驗，以及對試驗結果的分析整理，可認為該結構基本滿足7度、8度抗震設防區(qū)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震要求.

2)從試驗結果看，支腿是空氣冷卻塔的薄弱環(huán)節(jié)，支腿的上下端部最早出現(xiàn)破壞，并且也普遍破壞比較嚴重;由于鞭梢效應，塔筒喉部以上也屬于危險部位，在大震下可能出現(xiàn)混凝土脫落，需要加強.

3)塔筒薄壁處的沿環(huán)向破壞，作者猜測與由于受較為密集的多個相鄰高階振型影響，在環(huán)向同時激發(fā)出多個環(huán)向波紋耦合振動疊加［7］，引發(fā)較強的薄膜振動有關.

［1］Sabouri－Ghomi S，Kharrazi M H K.Reinforced concrete column－supported hyperboloid cooling tower stability assessment for seismic loads［J］.Scientia Iranica，2005，12(2):241 －246.

［2］薛文，白國良，姚有成，等.超大型雙曲冷卻塔考慮不同場地類型的地震性能研究［J］.水利與建筑工程學報，2010，8(4):224－226.

［3］于敏，劉晉超，吳波，等.豎向地震作用對超大型冷卻塔結構的影響分析［J］.工程抗震與加固改造，2012，34(3):44－49.

［4］張敏政.地震模擬實驗中相似律應用的若干問題［J］.地震工程與工程振動，1997，17(2):52－58.

［5］CECS160:2004 建筑工程抗震性態(tài)設計通則［S］.

［6］GB 5001－2010 建筑抗震設計規(guī)范［S］.

［7］楊耀鋒，程玉琢.冷卻塔在地基固有頻率和振型的試驗研究［J］.西安礦業(yè)學院學報，1995，15:9－12.