基于有限元的冷却塔结构稳定性分析与研究

摘要：稳定性是冷却塔整体结构分析的重要因素。基于有限元线性稳定性分析以其高效的仿真性能，在冷却塔稳定性分析中发挥重要的作用。本文以某冷却塔工程为例，开展了基于线性屈曲分析的冷却塔结构稳定性分析及探讨。

关键词：冷却塔；稳定；屈曲

Abstract: the stability of the whole structure analysis of cooling tower is an important factor. Based on the finite element analysis of linear stability to its high efficiency of the simulation performance, in cooling tower stability analysis of play an important role. Taking a cooling tower engineering for example, carried out based on linear buckling analysis of the structure stability analysis and explores the cooling tower.

Keywords: cooling tower; Stability; buckling

中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：

引言由于冷却塔是双曲形结构，根据后屈曲理论，双曲线自然通风对冷却塔的结构稳定是敏感的，因此稳定性是冷却塔整体结构分析的重要环节。在实际设计时，一般需要用较大的安全系数，以确保冷却塔结构的安全性。有限元分析法以其高防真性的特点，在冷却塔结构稳定性的准确分析中发挥重要作用，基于有限元线性稳定性分析得到的临界载荷是冷却塔安全设计的重要依据。

1、冷却塔有限元模型及材料特性

以某热电厂冷却塔为对象，该冷却塔塔高为90.45m（地面以上高度，包括人字柱），底部半径35.482m，塔筒喉部高度72.364m，喉部半径18.417m，顶部半径20.154m。壳体最大厚度0.55m，最小厚度0.15m。用Abaqus程序对冷却塔进行计算分析，建立有限元模型时将冷却塔塔筒、人字柱及环形基础均离散为实体单元，环基底面固定。整体坐标采用笛卡尔坐标系，冷却塔模型及网格见图1。

根据工程结果资料，冷却塔筒壁、人字支撑柱的混凝土材料强度等级分别采用原设计强度等级C28。环梁基础混凝土材料强度等级采用C16。采用线弹性本构模型，不考虑其开裂和塑性，C28混凝土弹性模量取为2.92×104 MPa，C16混凝土弹性模量取为2.26×104 MPa，混凝土密度取为25kN/m3，导热系数取为1.74w/(m.k)，混凝土比热取为0.74J/（kg•K）。

2、冷却塔结构的分析荷载

冷却塔承受的主要荷载包括结构自重、温度荷载、风荷载及地震作用。根据《构筑物抗震设计规范》（GB50191-93）第12.2.1条，本冷却塔可不进行抗震验算。因此，有限元分析时，模型中施加的荷载为结构自重、温度荷载、风荷载。

温度荷载采用《火力发电厂水工设计规范》(DL/T 5339-2006)第9.4.4条进行考虑。计算表明，夏季日照下筒内、外壁的温差与冬季运行时筒内、外壁的温差相当，计算中不考虑夏季日照下的温度效应。风荷载参照《火力发电厂水工设计规范》及《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）计算。

3、冷却塔结构的整体稳定性分析

3.1 整体稳定性分析原理

对应稳定分析有两种分析方法：特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。特征值屈曲分析假定物理方程、几何方程是线性的，得到的是各阶屈曲模态和特征值；而非线性屈曲分析引入几何、材料等非线性，得到结构位移随荷载的变化历程，定义荷载位移曲线最高点对应的荷载为结构的极限承载力。

特征值屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度。该方法相当于教科书里的弹性屈曲分析方法。采用Abaqus对结构进行线性的整体稳定分析，可以得到结构的整体屈曲模态，各屈曲模态的求解实际上是一个特征值求解问题。

例如，一个柱体结构的特征值屈曲分析的结果，将与经典欧拉解相等，通俗说：一个立柱，顶端受一个集中力作用，比如这个集中力大小为100kN，采用特征值屈曲分析计算方法就可以求得相应各阶失稳模态时的特征值，也就是可以得到各阶稳定系数。比如求得一阶失稳模态对应的特征值为8，即稳定系数为8，则临界集中力为800kN。

3.2 基于有限元的稳定性计算结果

有限元整体稳定计算时，取温度+自重+风荷载的荷载组合。风荷载外压力与内吸力按规范计算的值分别施加到塔筒外表面内表面，计算出的最大风压为1.464kPa，在自重与风荷载作用下，1～6阶特征值分别11.235、11.456、11.668、11.738、12.312、12.682，第一阶失稳模态见图2。各阶模态特征值均大于5，由特征值屈曲分析的原理可知，冷却塔整体稳定系数均大于5，满足规范对整体稳定性的要求。通过比较发现，由规范计算得到的整体稳定系数与有限元计算的安全稳定系数比较接近。

4、结论

基于有限元的稳定性分析可较为准确的获得冷却塔结构稳定性能，得到的临界载荷可作为冷却塔安全设计的重要依据。以某工程冷却塔的稳定性分析表明，根据有限元计算的冷却塔整体稳定性安全系数大于5，满足规范对整体稳定性的要求。通过比较发现，由规范计算得到的整体稳定系数与有限元计算的安全稳定系数比较接近。

参考文献：

[1]钟香兰，冷却塔结构强度及稳定性三维有限元计算分析，山西建筑， 2010（30）.

[2]《火力发电厂水工设计规范》(DL/T 5339-2006).

[3]《构筑物抗震设计规范》（GB50191-93）.

[4]《火力发电厂水工设计规范》(DL/T 5339-2006).

[5]《工业循环水冷却塔设计规范》（GBT50102-2003）.

[6]《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。