双烟道布置对冷却塔稳定性的影响

【摘要】采用双烟道布置时，冷却塔壳体开孔的具体方案是工程中需要重点关注之处。本文采用三维实体模型对冷却塔开孔后的稳定性变化进行了研究，通过对开孔加固的范围、壁厚、两孔间位置等各方面因素的分析发现，开孔附近加固厚度对稳定性影响明显，加厚的范围对稳定性略有影响，而加固到一定程度后稳定性增长则趋于平稳，两孔间距对开孔附近的稳定性也有一定的影响，实际设计过程中应综合考虑安全、经济、施工方便等角度寻找最优加固方案。

【关键词】双烟道；壳体稳定性；加固范围；两孔间距；

1 前言

排烟冷却塔需要在壳体上开设烟道留孔，结构对称性被破坏，开孔处的壳体更容易发生屈曲，稳定性将受到很大的影响[1-2]。而当需要同时开设两个烟道留孔时，还需要考虑烟道留孔之间的相互影响，如何选取两孔间的距离、加固范围、加固厚度都是结构设计时需要重点关注的问题，为获得最优的结构布置方案，应在设计时对各个因素均进行分析比对。

稳定性是影响冷却塔结构方案的最重要的因素[3-6]，本文采用有限元计算软件，分析了双烟道布置的冷却塔在不同的烟道布置和壳体加固方案下，壳体的整体和局部稳定性[7-9]，探讨了各因素对稳定性的影响情况，对将来工程具有一定参考意义。

2 工程概况

某城市生活垃圾综合处理工程新建一座自然通风排烟冷却塔，采用双烟道布置，壳体开孔为门型。冷却塔通风筒采用双曲线型现浇钢筋混凝土结构，塔高约88m，喉部标高约68m，进风口标高5.093m，喉部中面半径16.025m，进风口中面半径26.311m，通风筒壳体最小厚度0.15m，最大厚度0.60m。两根玻璃钢烟道通过塔壁留孔穿至塔内，烟道直径2.6m。

冷却塔通风筒由36对人字柱与基础连接，冷却塔基础采用环板基础，为现浇钢筋混凝土结构，宽度4.5m，厚度1.0m，环板基础中心直径28.739米，壳体模板图如下所示。

拟定门型开孔上半部分圆形半径2.3m，下半部分矩形高2.4m，初始方案两孔夹角37.27°，如下图所示。

3 有限元建模

为分析不同加固厚度、范围、两孔间距等因素对冷却塔稳定性的影响，建立三维实体模型进行计算分析[10]。开孔附近的单元进行了加密处理，加固区域单位与壳体常规单元采用接触单元进行连接组装[11]。有限元模型如下图所示。

4 影响因素分析

冷却塔壳体的开孔破坏了壳体的对称性，而且开孔处刚度明显下降，如不进行加固必然导致开孔附近应力急剧增大，进而使得壳体发生局部失稳。目前最常规的加固方式即是通过增加开孔附近壁厚来补强此处的刚度，当布置两个烟道留孔时，加固区域的壁厚、范围以及两孔之间的间距均会对结果产生影响，下面将从这三方面对壳体稳定性进行探讨，寻求最合理的加固方案[12]。

4.1 壁厚

暂定加固范围为每孔加固区宽6.6m，高7m；过渡区按加固区四周各往外扩展1.3m考虑。孔洞中心处原始壁厚为0.2m，因此分析时按0.05m步长逐渐增大壁厚，同时需考虑风荷载方向与孔洞位置的角度变化。

分析结果如表4.1、图4.1所示，表中仅列出了加固区对应风荷载负压最大区域内的结果，此区域内稳定性最差。从表中可看到，随着加固区域厚度的不断增大，各风向角下稳定系数明显提高，以风向角81°为例，厚度仅增加0.05m，稳定系数立刻提升了22.5%，当加固厚度增加至0.3m，即1.5h（h为原壳体厚度）后，加固区稳定性增长趋于平缓，因此继续增加厚度意义并不大。

4.2 范围

为分析加固范围对稳定性的影响，暂定加固厚度为0.3m，加固范围增加步长为0.6m，即分别分析宽为5.4m、6m、6.6m、7.2m、7.8m，对应的高分别为5.8m、6.4m、7m、7.6m、8.2m，共形成5组不同的参数。

分析结果如表4.2、图4.2所示，表中同样仅列出了最不利风向角作用下的结果，从表中可看到，随着加固范围的不断增大，各风向角下稳定系数略有提高，以风向角45°为例，范围扩大0.6m，稳定系数仅提升了0.55%，稳定性受加固范围的影响并不明显。可见影响壳体稳定性的主要是开孔附近较小的范围内的单元，而实际工程中选择的加固面积远大于此范围。

4.3 间距

按前节所述，暂定加固厚度0.3m，每孔加固区宽6.6m，高7m。分析时按原始角度依次减小2°进行计算，即分别按夹角35.27°、33.27°、31.27°、29.27°计算壳体局部稳定性。

计算得到的局部稳定系数如表4.3、图4.3所示，由结果可知，随着两孔间夹角的减小，壳体在加固区的局部刚度越来越差，导致局部稳定性不断减小，但幅度不大，实际工程中应在条件允许的情况下对烟道布置方案进行优化设计，与工艺专业协调配合，不断调整，寻求既符合工艺要求又能实现结构最优化的方案。

5 结语

冷却塔的稳定性是结构设计中最重要的部分，本文分析了双烟道冷却塔采用不同加固方案的冷却塔稳定性变化情况，主要考虑了加固壁厚、加固范围、两孔间距等因素的影响。

通过分析发现，随着加固区厚度的增大，冷却塔的稳定性提高较为明显，对本工程而言，风向角81°时厚度仅增加0.05m，稳定系数立刻提升了22.5%，壁厚增加至初始壁厚的1.5倍后，增长趋势变得平缓，选择此壁厚较为合理；在本工程条件下，加固区范围的增大对稳定性增长的贡献并不明显，实际工程中也不太可能出现加固区域过小致使稳定性下降的情况；双烟道留孔的间距对稳定性有一定影响，两孔的间距越小，此区域的局部刚度就越差，稳定性也越差，工程中应尽量拉大两孔的间距。

除考虑受力计算以外，加固方案还应综合考虑工艺要求、结构构造、施工方式等各方面因素，选择的加固区域及厚度应能保证加固区、过渡区、原筒壁钢筋相互之间的可靠连接，同时也许考虑到滑模、爬模等施工方式对模板变化快慢的要求。条件允许时还应适当考虑外形的美观，适当的加大过渡段的范围，可使得壳体表面更加光滑平顺。

总之，双烟道排烟冷却塔孔洞加固方案的选择应综合考虑各方面的因素，相互沟通，对比验证，不断优化，最终才能得到最为安全经济合理的结构方案。

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