何 磊，黃 濤，陳紹林

(西南電力設(shè)計(jì)院，四川 成都 610021)

隨著我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)持續(xù)發(fā)展，對(duì)電力的需求不斷加大。國內(nèi)火力發(fā)電廠百萬機(jī)組新建工程陸續(xù)增多，超大型自然通風(fēng)冷卻塔逐漸受到火力發(fā)電相關(guān)專業(yè)人士的重視。根據(jù)國家節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的要求，具有明顯節(jié)能、降噪優(yōu)勢(shì)的高位水收水冷卻塔具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是隨著高位收水冷卻塔逐步國產(chǎn)化后，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。

高位收水冷卻塔不同于常規(guī)濕冷塔之處主要在于取消了常規(guī)濕冷卻塔底部的集水池和雨區(qū)，而在填料層底部直接采用高位收水裝置。冷卻后的循環(huán)水經(jīng)高位收水裝置“U”型槽匯入集水槽至循環(huán)水泵房進(jìn)水間，再經(jīng)過循環(huán)水泵升壓后送回主廠房循環(huán)冷卻使用。

集水槽為地面式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，百萬機(jī)組的集水槽高度約在14～23 m之間，沿冷卻塔徑向布置，與中央豎井相連。在正常運(yùn)行情況下，其內(nèi)全部盛滿循環(huán)冷卻水，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的平面假定計(jì)算不能滿足集水槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全經(jīng)濟(jì)的要求。

1 集水槽結(jié)構(gòu)形式及受力特點(diǎn)

以重慶地區(qū)某工程高位收水冷卻塔集水槽為例，介紹高位收水冷卻塔集水槽的結(jié)構(gòu)形式及受力特點(diǎn)。重慶地區(qū)某工程冷卻塔采用高位收水冷卻塔，集水槽斷面尺寸(B×H)：5.6 ×14.0 m，其地基形式為樁基。

集水槽為地面式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，百萬機(jī)組集水槽的高度在14～23 m，根據(jù)高位收水冷卻塔淋水構(gòu)架的柱網(wǎng)間距，沿集水槽縱向布置暗框架，暗框架頂梁上擱置單層配水槽，暗框架沿高度方向從上至下一定間距設(shè)置拉梁。暗框架與集水槽形成一個(gè)整體，共同受力。

集水槽主要承受集水槽內(nèi)的內(nèi)水壓力作用，其次是單層配水槽傳來的集中荷載及風(fēng)荷載。內(nèi)水壓力隨水深增加，壓力越大，在內(nèi)水壓力作用下，集水槽壁板同時(shí)承受彎矩與拉力作用。采用傳統(tǒng)平面假定方法不易準(zhǔn)確計(jì)算出集水槽壁板承受的拉力，且不能根據(jù)水壓力的特點(diǎn)進(jìn)行變截面設(shè)計(jì)，同時(shí)忽略了暗框架與集水槽壁板作為一個(gè)整體，共同承受內(nèi)水壓力。

對(duì)于暗框架而言，采用傳統(tǒng)平面假定計(jì)算，暗框架布置間距范圍的內(nèi)水壓力全部由暗框架承受。由此計(jì)算計(jì)算出的暗框架結(jié)構(gòu)尺寸偏大，忽略了集水槽側(cè)壁共同受力的作用，計(jì)算方法偏保守。不能達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省工程造價(jià)的目的。

對(duì)于集水槽的樁基布置，傳統(tǒng)的豎向荷載平均法計(jì)算出的樁數(shù)偏多，不易準(zhǔn)確計(jì)算出樁承受的水平力。

由集水槽結(jié)構(gòu)形式及受力特點(diǎn)分析可以看出，集水槽各部分構(gòu)件之間是相互協(xié)同作用，共同承受集水槽內(nèi)水壓力及其他荷載。平面假定簡化計(jì)算只能顧此失彼，不能進(jìn)行整體計(jì)算。因此，為準(zhǔn)確真實(shí)地模擬集水槽結(jié)構(gòu)整體受力的特性，滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，集水槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有必要采用三維有限元整體分析計(jì)算。

2 集水槽有限元仿真計(jì)算

2.1 有限元模型

以重慶地區(qū)某工程高位收水冷卻塔中央豎井左側(cè)集水槽進(jìn)行有限元三維建模，進(jìn)行有限元整體結(jié)構(gòu)計(jì)算。

集水槽底板、側(cè)壁采用Shell181三維殼單元，暗框架柱、框架頂梁、拉梁，承臺(tái)梁及灌注樁均采用Bea m188三維梁單元。Shell181及Bea m188單元能很好地模擬集水槽各部分構(gòu)件。同時(shí)，在后處理時(shí)能提取集水槽側(cè)壁、底板、暗框架柱及梁的彎矩、剪力及軸力，方便直接用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行配筋計(jì)算。三維模型中shell181殼單元共有7342個(gè)，Bea m188梁單元共計(jì)782個(gè)。

2.2 集水槽受力荷載及設(shè)計(jì)工況

集水槽為地面式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，位于高位收水冷卻塔收水裝置下。其所受荷載為：

自重: 25 kN/m3

集水槽內(nèi)水壓力:為水深的線性函數(shù)，最大為140 kN/m2

風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓：0.40 kPa

集中荷載：單層配水槽傳來的集中荷載，見表1。

集水槽內(nèi)水壓力作為面荷載作用于集水槽側(cè)壁及底板，風(fēng)荷載作為面荷載作用于集水槽側(cè)壁，單層配水槽傳來的集中荷載作用于集水槽暗框架頂梁上。

表1 暗框架頂梁集中荷載設(shè)計(jì)值 (單位：kN)

集水槽有限元分析時(shí)分三種工況設(shè)計(jì):

工況1：集水槽修建完成后，未投入運(yùn)行，僅受風(fēng)荷載。

工況2：集水槽修建完成后，投入正常運(yùn)行，不受風(fēng)荷載。

工況3：集水槽修建完成后，投入正常運(yùn)行，受風(fēng)荷載。

內(nèi)力分析中，取以上3種工況中最不利組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3 集水槽壁板內(nèi)力分析

在上述荷載及工礦組合下，采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行靜力計(jì)算，通過后處理后便能對(duì)集水槽各部分構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 集水槽整體位移圖

集水槽內(nèi)力分析可以分為集水槽壁板和暗框架(包括暗框架柱、暗框架頂梁、拉梁及承臺(tái)梁)。集水槽整體位移變形見圖1，由圖可以看出，集水槽暗框架在⑥軸線變形最大，集水槽壁板在①、②與⑤、⑥軸線之間變形最大。集水槽的最大變形約為14 mm。

集水槽壁板內(nèi)力分析?、?、②軸線跨中(X=10.4 m)、⑤、⑥軸線跨中(X=43.2 m)及沿集水槽高度方向(Z=5.0 m)處進(jìn)行內(nèi)力分析。

圖2 集水槽①、②軸線中間壁板內(nèi)力(X=10.4 m)

圖3 集水槽⑤、⑥軸線中間壁板內(nèi)力(X=43.2 m)

由圖2、圖3內(nèi)力曲線可以看出，集水槽壁板豎向、水平向均同時(shí)承受拉力和彎矩。水平向所受拉力大于豎向，越靠近集水槽底部，水壓力越大，水平向所受約束也約大，所受的拉力越大，最大拉了為657 kN/m，彎矩最大約－267 kN· m/m。

圖4 集水槽高度壁板內(nèi)力(Z=5 m)

由圖4可以看出，沿集水槽長度方向(水平向)，暗框架柱類似于集水槽壁板的支座，集水槽壁板的水平與豎向彎矩圖類似于連續(xù)梁，但與連續(xù)梁彎矩不同之處在于，集水槽壁板同時(shí)受拉力，且集水槽水平向的拉力遠(yuǎn)大于豎向所受拉力。由圖4可知，水平向最大彎矩為－258 kN· m/m，最大拉力為687 kN/m；豎向最大彎矩為465 kN· m/m，最大拉力為113 kN/m。因此，集水槽壁板應(yīng)按拉彎構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算。

2.4 集水槽暗框架內(nèi)力分析

集水槽暗框架由暗框架柱、暗框架頂梁、拉梁及暗框架承臺(tái)梁組成。由圖5可以看出，暗框架柱雙向受彎，軸力為壓力，最大壓力約為－3160 kN，雙向最大彎矩分別為1761 kN· m及789 kN· m。暗框架頂梁為純彎構(gòu)件，軸力很小，可忽略，最大彎矩出現(xiàn)在③軸線暗框架頂梁上，約為2291 kN· m。

圖5 暗框架柱及頂梁內(nèi)力

由圖6可以看出，暗框架拉梁主要受力為軸向拉力，彎矩很小，越靠近集水槽底部，拉梁所受的軸向拉力越大，與水壓力的特性一致；拉梁的最大拉力為 3012 kN，最大彎矩為126 kN· m。暗框架承臺(tái)梁同時(shí)承受軸向拉力及彎矩，為拉彎構(gòu)件，承臺(tái)梁的最大彎矩為3077 kN· m，最大軸向拉力為 1258 kN。

圖6 暗框架拉梁及承臺(tái)梁內(nèi)力

2.5 集水槽樁基內(nèi)力分析

集水槽有限元計(jì)算中地基形式為樁基，樁位布置見圖1，通過有限元仿真計(jì)算，各樁的樁樁頂內(nèi)力見表2。

表2 基樁樁頂內(nèi)力

由以上基樁樁頂內(nèi)力可看出，采用三維有限元分析，能計(jì)算出每根樁樁頂?shù)呢Q向力及水平力，根據(jù)每根樁的豎向力和水平力進(jìn)行樁基布置和選型，進(jìn)行樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)。樁基的最大豎向力為4212 kN，最大水平力112 kN。

2.6 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)上述集水槽結(jié)構(gòu)采用平面假定簡化計(jì)算，分別計(jì)算出集水槽各部分構(gòu)件鋼筋混凝土工程量，與采用三維有限元整體分析計(jì)算出的集水槽各部分構(gòu)件工程量對(duì)比見表3。

表3 三維有限元分析與平面假定計(jì)算集水槽各部分構(gòu)件工程量對(duì)比 (單位： m3)

由表3可以看出，中央豎井左側(cè)集水槽采用三維有限元整體分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比采用平面假定簡化計(jì)算進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)節(jié)省鋼筋混凝土約500 m3，一座高位收水冷卻塔集水槽節(jié)約鋼筋混凝土約1300 m3，節(jié)省工程造價(jià)約150萬(人民幣)。

3 結(jié)論

(1)高位收水冷卻塔集水槽為地面式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。集水槽壁板和暗框架作為一個(gè)整體共同承受槽內(nèi)水壓力、風(fēng)荷載及單層配水槽傳來的集中荷載。采用傳統(tǒng)的平面假定計(jì)算方法難以準(zhǔn)確計(jì)算出集水槽壁板所受拉力，進(jìn)行變截面設(shè)計(jì)；不能對(duì)暗框架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)通過有限元三維仿真計(jì)算分析可知，集水槽壁板豎向及水平向同時(shí)承受彎矩和拉力，應(yīng)按拉彎構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；能準(zhǔn)確計(jì)算出暗框架各構(gòu)件所受的彎矩、拉力或壓力，對(duì)暗框架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少集水槽混凝土工程量，節(jié)省工程造價(jià)。

(3)對(duì)于集水槽樁基而言，三維有限元仿真計(jì)算，能準(zhǔn)確計(jì)算出每根樁的樁頂豎向力及水平力，進(jìn)行樁基優(yōu)化布置和選型設(shè)計(jì)。

(4)目前該工程#1高位收水冷卻塔集水槽已經(jīng)施工完畢，正在施工#2高位收水冷卻塔集水槽地面以上部分，預(yù)計(jì)2014年12月投產(chǎn)運(yùn)行。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工單位及業(yè)主反映，集水槽施工過程順利，施工效果好。

[1]趙云馳，等．超大型高位收水冷卻塔工藝設(shè)計(jì)探討[J]．給水排水，2009．

[2]朱伯芳．有限單元法原理與應(yīng)用[M]．北京：中國水利水電出版社，1998．

[3]張朝輝．ANSYS11.0有限元分析理論與工程應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007．

[4]GB50009－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[5]GB50009－2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]．