超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析及試驗(yàn)研究

林春陽

(中國地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

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超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析及試驗(yàn)研究

林春陽

(中國地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

近年來， 隨著國家環(huán)保戰(zhàn)略的要求， 我國三北地區(qū)正在醞釀建造一批1000 MW超臨界空冷機(jī)組， 與之相匹配的間接空冷塔結(jié)構(gòu)一般高達(dá)200 m以上， 直徑可達(dá)180 m以上， 進(jìn)風(fēng)口高度可達(dá)30 m以上。 建設(shè)地點(diǎn)多位于南北地震帶中北段， 地震危險(xiǎn)性高， 場(chǎng)地條件復(fù)雜。 其抗震設(shè)計(jì)必須面對(duì)高烈度、 土-結(jié)構(gòu)相互作用以及行波效應(yīng)等難題。 而目前國內(nèi)外關(guān)于超大冷卻塔結(jié)構(gòu)高烈度抗震設(shè)計(jì)問題的相關(guān)研究資料很少， 可參考資料更是罕見。 圍繞這一問題， 本文采用地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)與有限元數(shù)值模擬分析相結(jié)合的手段， 對(duì)超大冷卻塔結(jié)構(gòu)的地震破壞機(jī)理、 土-結(jié)構(gòu)相互作用、 行波效應(yīng)及其隔震可行性等問題進(jìn)行了研究探討， 主要完成了以下幾方面的工作：

(1) 采用欠人工質(zhì)量相似理論設(shè)計(jì)了原型高度為220 m， 直徑為185 m的超大冷卻塔結(jié)構(gòu)1:30縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?通過地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)， 獲得了考慮不同場(chǎng)地條件的不同烈度工況下超大冷卻塔模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)、 振動(dòng)特性及其破壞特征， 研究揭示了超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)的地震作用破壞機(jī)理， 發(fā)現(xiàn)超大冷卻塔結(jié)構(gòu)下部的X型支柱上下端部、 筒壁最薄的塔筒喉部是其地震薄弱部位， 為超大冷卻塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化抗震設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 通過模型結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值模擬并與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析， 交互驗(yàn)證了有限元數(shù)值模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇浴?/p>

(2) 針對(duì)Ⅱ、 Ⅲ類場(chǎng)地條件下高大結(jié)構(gòu)實(shí)際存在的地基土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)問題， 提出了對(duì)設(shè)計(jì)譜水平地震最大影響系數(shù)αmax采用修正系數(shù)αs進(jìn)行調(diào)整的方法， 以簡化超大冷卻塔結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析過程。 采用粘彈性阻尼單元模擬地基土邊界， 以某超大冷卻塔結(jié)構(gòu)原型為例進(jìn)行了地基土-結(jié)構(gòu)相互作用分析。 通過對(duì)比分析是否考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用兩個(gè)模型的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及地震反應(yīng)， 給出了Ⅱ、 Ⅲ類場(chǎng)地條件下考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)， 冷卻塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律。

(3) 綜合考慮行波效應(yīng)不利影響， 提出了對(duì)設(shè)計(jì)譜水平地震最大影響系數(shù)αmax采用修正系數(shù)αT調(diào)整的方法， 以簡化超大冷卻塔結(jié)構(gòu)抗震分析過程。 仍以前述超大冷卻塔結(jié)構(gòu)為例， 進(jìn)行了是否考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)的超大冷卻塔結(jié)構(gòu)行波效應(yīng)對(duì)比分析， 指出視波速大于1000 m/s的I類場(chǎng)地條件下， 超大冷卻塔抗震分析可以不考慮行波效應(yīng)； 視波速≤350 m/s的Ⅱ～Ⅲ類場(chǎng)地條件下， 建議超大冷卻塔結(jié)構(gòu)中應(yīng)對(duì)超大冷卻塔行波效應(yīng)給予足夠重視。

(4) 給出了超大冷卻塔結(jié)構(gòu)采用橡膠支座基礎(chǔ)隔震技術(shù)的設(shè)計(jì)分析方法。 本文采用有限元分析方法， 對(duì)比研究了是否考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用、 是否考慮行波效應(yīng)等條件下超大冷卻塔結(jié)構(gòu)采用基礎(chǔ)隔震的減震效果。 以8度抗震設(shè)防為例， 證明了超大冷卻塔結(jié)構(gòu)采取基礎(chǔ)隔震措施后， 上部結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之間的地震反應(yīng)相對(duì)位移、 加速度以及X型支柱位移角均能有效降低， 可大幅提升超大冷卻塔結(jié)構(gòu)的地震安全性。

關(guān)鍵詞超大冷卻塔； 地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)； 土-結(jié)構(gòu)相互作用； 行波效應(yīng)； 隔震； 地震反應(yīng)； 修正系數(shù)

(作者電子信箱， 林春陽： linchunyang1972@126.com)

中圖分類號(hào)：TU347；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.03.017