多种荷载组合下超大型空冷塔筒体静力响应与可靠度分析

【摘要】：自然通风冷却塔是应用最广泛的冷却塔结构之一,而我国在超大型间接空冷塔的设计理念上已落后于欧美发达国家。德国VGB标准在设计冷却塔时考虑了结构几何非线性与材料非线性问题,相比之下,我国规范依然处在线弹性范围。因此,有必要对采用上述两种规范所设计的冷却塔进行对比研究,为我国相关规范的修订提供参考意见。本文首先对采用我国规范和德国VGB标准设计的高达220m的两种典型超大型间接空冷塔进行数值建模,并从不同角度分析研究两种模型的承载能力水平,并对两种冷却塔结构的可靠性进行分析,最后按照我国《工程结构可靠度设计统一标准》(GB50153-2008)评价这这两种空冷塔的可靠度。在可靠度分析部分,本文采用HDMR(High Dimensional Model Representation)响应面方法获得结构的近似功能函数,然后结合FORM、MCS方法对结构可靠度进行求解分析。研究分析发现,采用德国VGB标准设计的冷却塔(模型B)壁厚薄于采用我国规范设计的冷却塔(模型A),但是模型B子午向配筋面积大于模型A,其配筋率更是得到明显提高。通过荷载响应分析可以看出,在我国规范规定荷载作用下,两模型均满足承载能力要求。风荷载为冷却塔控制荷载,并且塔体迎风面以受拉为主,塔体迎风面混凝土层极易发生开裂,壳体主要通过钢筋层承受拉应力。通过可靠度分析研究可以看出,两模型最不利截面均出现在塔体喉部(0°子午线110m高度附近)。其中模型A可靠指标明显大于模型B,模型A各层壳承载能力可靠指标均满足我国规范要求;模型B混凝土层承载能力可靠指标低于我国规范限值,但是其钢筋层可靠指标满足我国规范要求。而正常使用极限状态所对应可靠指标,两模型均满足我国规范要求。通过本文研究分析可以看出,在设计变量较少且合理选择参考点的情况下,Cut-HDMR响应面方法获得的结构近似功能函数具有较高的精度,并能准确计算出某一壳层可靠指标。采用德国VGB标准设计的冷却塔结构虽然壁厚较薄,但是其采用较高配筋率,使壳体抗拉承载能力得到较大提高,其规范荷载作用下承载能力及结构可靠度均基本满足我国规范要求。