随着我国需电量的日益增大，发电厂对冷却塔高度的追求越来越高，超过规范限值(165 m)的冷却塔在新建冷却塔中所占的比例越来越大．超大型冷却塔属于高耸构筑物，其在偶然荷载作用下可能发生局部坍塌或者整体倒塌，从而给周围建(构)筑物带来巨大的威胁，尤其是核电站中的冷却塔，其倒塌可能会引发严重的核事故[1]．为此，文献[1-3]对多种偶然荷载作用下冷却塔的倒塌形态进行了研究．文献[4]对局部爆炸荷载、1/3支柱失效、1/2支柱失效及导弹打击作用下冷却塔的倒塌形式和机理进行了研究．文献[5-7]对冷却塔的风致倒塌进行了系列分析．此外，为解决超大型钢筋混凝土冷却塔在施工上存在的支模困难、工期长和建造成本高等问题，不少学者提出并研究了不同结构类型的冷却塔．文献[8-10]对钢结构冷却塔进行了系列研究；文献[11-13]提出了一种混合型冷却塔，并对其展开了系列研究．目前，混合型冷却塔已运用于多个电厂项目，工程实践表明[14]：相比于钢筋混凝土冷却塔，混合型冷却塔可减少劳动力、脚手架与模板的使用，提升施工速度，可使支柱的混凝土用量减少40%以上，支柱的综合造价减少20%~30%．虽然混合型冷却塔在支柱部分解决了筋混凝土冷却塔存在的问题，但是筒壁施工仍然存在工期长、危险性大和建造成本高等问题，因此本研究提出一种钢管混凝土冷却塔．为了研究钢管混凝土冷却塔的抗倒塌性能，首先给出钢管混凝土冷却塔的设计方法和流程；然后根据一座177 m高钢筋混凝土冷却塔的设计参数设计一座相同高度的钢管混凝土冷却塔，在验证模型有效的基础上，分别对两种冷却塔的倒塌形态进行了研究；最后从发生倒塌的难易程度、倒塌过程中动能的大小及倒塌后的影响范围三个方面对比两种冷却塔的抗倒塌性能．1 钢管混凝土冷却塔的设计钢管混凝土冷却塔由主体结构和围护结构两部分组成．主体结构由钢管混凝土斜交柱和环形钢梁组成(如图1所示)，其中每根斜柱均为双曲面的直母线．围护结构与钢结构冷却塔类似，可采用金属面板作为钢管混凝土冷却塔的围护结构．10.13245/j.hust.240597.F001图1钢管混凝土冷却塔主体结构示意图钢管混凝土冷却塔的传力途径简单明确、设计便捷，不仅可以充分发挥钢管混凝土组合结构的抗压性能，而且可以利用钢管作为混凝土的模板，提高施工质量和施工安全性、节约劳动力、缩短工期、降低成本．此外，钢管混凝土冷却塔的双曲面外形使其具备优良的冷却性能．1.1　几何设计理论为了确定各斜交柱的几何位置，以冷却塔喉部的圆心为坐标原点分别建立空间直角坐标系和柱坐标系，如图1所示．根据双曲面冷却塔的曲面方程与不同坐标轴间的换算关系：r2-αh2=r02，x2+y2=r2，z=h，其中r，h和x，z分别为柱坐标系和空间直角坐标系的变量，可得到双曲线型冷却塔的两条直母线方程x+αz=0,r0-y=0;x-αz=0,r0-y=0, (1)式中：α为曲率特征系数；r0为冷却塔喉部半径．将式(1)中的两条直母线绕z轴阵列可得到主体结构中的斜交柱网，即可确定每根斜交柱的几何位置．1.2　177 m高钢管混凝土冷却塔的设计为了对比不同冷却塔的抗倒塌性能，根据一座钢筋混凝土冷却塔的设计参数[15]设计了一座钢管混凝土冷却塔．钢筋混凝土冷却塔高为177.146 m，支柱底部直径为71.994 m，筒壁顶部直径为42.036 m，筒壁喉部位置高为141.146 m，喉部直径为39.107 m，双曲面的曲率特征值为0.183 4．冷却塔所在地区基本风压为0.5 kPa，最不利工况下的风振系数为2.084 8．冷却塔施工时平均温度为20 ℃，该地区极端最高温度为40 ℃，极端最低温度为-20 ℃，考虑太阳辐射作用对结构温度的影响，假定在最高温度时结构表面温度比大气温度高20 ℃．1.2.1　几何设计根据式(1)可得，该冷却塔的两条直母线方程为x+0.428z=0,39.107-y=0;x-0.428z=0,39.107-y=0, (2)然后将直母线绕着z轴阵列40份，并使用环形钢梁将所有节点首尾相连，即可得到管混凝土冷却塔的主体结构．1.2.2　结构设计当进行结构设计时仅考虑结构自重、风荷载及温度荷载的作用，其中风荷载标准值按照《工业循环水冷却设计规范》[16]确定．此外暂不考虑节点设计，认为所有梁柱均为刚性连接．钢管混凝土冷却塔中的所有斜交柱均采用圆形钢管混凝土柱，所有环形钢梁均采用方形箱梁，设计使用材料为Q355钢和C40混凝土，设计流程如图2所示．经反复计算，最后确定钢管混凝土冷却塔中各类构件的截面尺寸如表1所示．10.13245/j.hust.240597.F002图2各类构件的截面设计流程图10.13245/j.hust.240597.T001表1各类构件的截面尺寸支柱位置钢管直径/mm钢管厚度/mm环梁位置箱梁外边长/mm箱梁壁厚/mm第1~2层80015第1~2层70022第3~4层70015第3~4层60020第5~6层60015第5~6层50015第7~8层50012第7~8层40015第9~10层50010第9~10层40015第11~12层40010第11~12层33012第13~14层4008第13~14层33012第15~16层3008第15~16层30012第17~18层3005第17~18层300121.2.3　不同结构类型冷却塔的对比工程实践已证明：在冷却塔中用钢管混凝土支柱取代钢筋混凝土支柱可取得良好的施工性和经济性[14]．因此，本研究仅从建筑材料用量和构件截面尺寸方面，将钢管混凝土冷却塔同钢筋混凝土冷却塔与钢结构冷却塔进行对比．根据文献[15，17]中冷却塔的几何尺寸信息和材料信息，可得177 m钢筋混凝土冷却塔和180 m钢结构冷却塔的材料用量．其中177 m钢筋混凝土冷却塔的筒壁采用C40混凝土，支柱采用C45混凝土；180 m钢结构冷却塔采用Q345钢．根据表1可知177 m钢管混凝土冷却塔中混凝土和钢材的用量，其中混凝土采用C40，钢材采用Q355钢．不同结构类型冷却塔的材料用量及构件截面尺寸的对比如表2所示．由表2可知：在材料用量上，177 m高钢管混凝土冷却塔相对于钢筋混凝土冷却塔节约混凝土用量约90%，相比于钢结构冷却塔节约钢材用量约38%．在构件截面尺寸上，177 m高钢管混凝土冷却塔相比于钢筋混凝土冷却塔不仅减小了第一层支柱的截面尺寸，而且减少了支柱的数量，177 m高钢管混凝土冷却塔相比于钢结构冷却塔可减小筒壁的厚度．10.13245/j.hust.240597.T002表2不同结构类型冷却塔的对比参数钢筋混凝土钢管混凝土钢结构塔高/m177177180混凝土用量/m336 5463 748—钢材用量/t1 4253 8006 256支柱对数4840—支柱截面半径/mm1 300800—筒壁厚度/mm270~400300~8002 000~4 0002 模型的建立与验证2.1　建模方法采用ANSYS Workbench中的LS-DYNA对两种双曲面型冷却塔进行抗倒塌分析，分析时仅考虑冷却塔的自重作用，暂不考虑围护结构的影响．钢筋混凝土冷却塔中筒壁-支柱和支柱-地面之间采用Bonded连接，钢管混凝土冷却塔各构件之间采用共节点进行连接，两种冷却塔支柱的底部均采用固定约束，地面通过定义刚体位移进行约束．此外，为防止倒塌过程中冷却塔自身发生穿透现象及冷却塔触地后穿透地面，冷却塔与地面之间采用单面自动接触(*CONTACT_AUTOMATIC_ SINGLE_SURFACE)和单面侵蚀接触(*CONTACT_ ERODING_SINGLE_SURFACE)．通过重新启动分析中删除体的方法，模拟冷却塔的初始破坏，即当t=1.0 s时删除第一层的部分支柱；同时，为了避免冷却塔在施加重力后产生不真实的晃动，在删除体之前须定义动态松弛和较大的阻尼以保证结构在施加重力后保持稳定．2.2　单元类型及材料本构钢筋混凝土和钢管混凝土冷却塔均采用建模简单、计算速率快的整体式建模，即采用一种材料模拟冷却塔的力学性能．两种冷却塔中所有构件的材料均采用图3所示的材料模型，图中：E为弹性模量；Et为切线模量；β为硬化参数；l0和l分别为单轴拉伸试验前后试件的长度．冷却塔倒塌过程中材料的破坏通过定义材料模型中的失效应变来实10.13245/j.hust.240597.F003图3*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型的应力-应变关系现．所有模型中的地面均采用Shell163单元和*MAT_RIGID材料模型．2.2.1　钢筋混凝土冷却塔钢筋混凝土冷却塔中支柱和筒壁的混凝土强度等级分别为C45和C40，钢筋的屈服强度为210 MPa[16]．在材料模型中，钢筋混凝土的弹性模量与密度分别通过质量等效和刚度等效确定，切线模量与失效应变综合文献[18-19]确定，冷却塔各部位材料参数如表3所示．10.13245/j.hust.240597.T003表3钢筋凝土冷却塔的材料参数部位密度/(kg∙m-3)弹性模量/GPa泊松比屈服应力/MPa切线模量/MPa失效应变筒壁2 55033.50.2401500.030支柱3 00039.50.2451500.0352.2.2　钢管混凝土冷却塔钢管混凝土冷却塔中所有的钢材为Q355钢，柱内混凝土的强度等级为C40．对于钢管混凝土材料模型中的失效应变，根据文献[20]提出的钢管断裂时的平均纵向应变确定．由于函数ln(l0/l)在钢管混凝土断裂前(断裂时的平均纵向应变在0.0~0.2内)可近似为一段直线，因此钢管混凝土材料模型中的等效弹性模量与等效切线模量，可根据统一理论[21]中的组合弹性模量和强化阶段模量确定，冷却塔各部位材料参数见表4．10.13245/j.hust.240597.T004表4钢管混凝土冷却塔的材料参数部位密度/(kg∙m-3)等效弹性模量/GPa泊松比等效屈服强度/MPa等效切线模量/MPa失效应变1~2层柱2 89443.30.28363.822710.1253~4层柱2 94946.20.28368.003350.1345~6层柱3 02249.90.28373.444220.1447~8层柱3 00148.90.28371.933980.1419~10层柱2 91944.60.28365.783010.12911~12层柱3 02249.90.28373.444220.14413~14层柱2 91944.60.28365.783010.12915~16层柱3 05551.60.28375.934640.14817~18层柱2 85141.00.28360.8500.012环形钢梁7 850206.00.300355.0020 6000.1202.3　有效性验证由于冷却塔的倒塌模拟与冷却塔爆破拆除的模拟两者的建模方法和建模过程相同，因此本研究通过对比一座70 m高冷却塔拆除后的模拟结果与其实际倒塌形态来间接验证模型的有效性．冷却塔的模拟结果与实际倒塌形态如图4所示，其中冷却塔的几何尺寸、材料本构和爆破切口等信息详见文献[22-23]．由图可知两者的倒塌时间及倒塌形态符合良好，由此可以证明建模方法的有效性．10.13245/j.hust.240597.F004图470 m高钢筋混凝土冷却塔倒塌形态的对比3 结果分析为了研究钢管混凝土冷却塔的倒塌形态和对比钢管混凝土冷却塔与钢筋混凝土冷却塔的抗倒塌性能，通过改变删除支柱的数量来获取不同缺口圆心角下冷却塔的倒塌形态、倒塌后的废墟尺寸及倒塌过程中的动能大小．其中，缺口圆心角是指删除支柱所对应的圆心角，如图5所示．10.13245/j.hust.240597.F005图5支柱柱顶水平截面示意图3.1　倒塌形态当钢筋混凝土和钢管混凝土冷却塔的缺口圆心角分别为88.8°和90.0°时，下环梁上A点的竖向位移达到最大值时冷却塔的变形如图6所示．由图可知当缺口圆心角不超过90°时，两种冷却塔依然保持耸立状态，且悬臂段的筒壁均未发生局部坍塌破坏．10.13245/j.hust.240597.F006图6冷却塔变形图(色标单位：mm)当缺口圆心角超过90°时，不同缺口圆心角下冷却塔的倒塌形态如图7所示，图中：括号内为缺口圆心角大小；其他数值为删除支柱后的时间．由图7(a)可知：对于钢筋混凝土冷却塔，当缺口圆心角开始超过90°时，钢筋混凝土冷却塔因删除支柱数量过多，导致靠近缺口处的剩余支柱发生连续破坏，最终引起冷却塔发生整体倒塌．此外，不难发现随着缺口圆心角的增大，钢筋混凝土冷却塔的损坏越严重．10.13245/j.hust.240597.F007图7不同缺口圆心角下冷却塔倒塌形态由图7(b)可知：对于钢管混凝土冷却塔，当缺口圆心角为99°时，冷却塔因失去部分支撑导致缺口上部的斜交网壳发生局部失稳，但网壳的失稳未引起冷却塔发生整体倒塌，仅发生局部坍塌破坏；当缺口圆心角为126°时，钢管混凝土冷却塔的破坏仍以局部坍塌破坏为主；当缺口圆心角为171°和216°时，钢管混凝土冷却塔发生了明显的整体倒塌破坏．由此可知：钢管混凝土冷却塔的倒塌有别于钢筋混凝土冷却塔，钢管混凝土冷却塔的倒塌主要是由于缺口上部斜交网壳的失稳引起，而非底层支柱的强度破坏，并且仅当缺口圆心角大于126°时钢管混凝土冷却塔才会发生整体倒塌破坏，缺口圆心角较小时冷却塔只发生局部坍塌破坏．3.2　动能大小不同缺口圆心角下冷却塔的动能如图8所示，图中动能为除删除支柱之外的所有构件的动能之和．由图可知：倒塌过程中两种冷却塔的动能均呈现出波动变化，且两种冷却塔的第一次波动均由下环梁A点撞击地面引起的；两种冷却塔的动能峰值均随着缺口圆心角的增大呈现出先增大后减小的趋势，且均在171°附近时达到最大值．此外，不难发现：当缺口圆心角相近时，钢筋混凝土冷却塔的动能峰值为钢管混凝土冷却塔的10倍左右．10.13245/j.hust.240597.F008图8不同缺口圆心角下冷却塔动能大小3.3　废墟尺寸不同缺口圆心角下冷却塔倒塌后废墟的尺寸如图9所示，图中括号内表示缺口圆心角大小．由图可知：随着缺口圆心角的增大，钢筋混凝土冷却塔废墟的长度在逐渐减小，而钢管混凝土冷却塔则呈现出先减小后增大的趋势，这主要是因为当缺口圆心角较小时，钢管混凝土冷却塔主要发生局部坍塌．10.13245/j.hust.240597.F009图9不同缺口圆心角下冷却塔废墟尺寸(单位：m)虽然两种冷却塔废墟沿着冷却塔倒塌方向长度的变化规律相反，但是当两种冷却塔的缺口圆心角相近时，钢管混凝土冷却塔废墟的长度和宽度均小于钢筋混凝土冷却塔．由此可以说明：相比于钢筋混凝土冷却塔，钢管混凝土冷却塔倒塌后对周边环境的威胁较小．3.4　抗倒塌性能分析本研究主要从发生倒塌的难易程度、倒塌后对周边环境影响范围的大小和倒塌后所引起的地面振动的大小三个方面对比冷却塔的抗倒塌性能．发生倒塌的难易程度采用冷却塔开始倒塌时缺口圆心角的大小来衡量；对周边环境影响范围的大小采用倒塌后冷却塔废墟尺寸的大小来衡量．由于冷却塔倒塌后引起地面振动的大小与冷却塔倒塌时动能的大小密切相关，因此采用冷却塔倒塌过程中动能的大小来衡量倒塌引起地面振动的大小．从倒塌形态来看，钢筋混凝土冷却塔发生倒塌的起始缺口圆心角为96.3°，而钢管混凝土冷却塔发生倒塌的起始缺口圆心角为99°，且在缺口圆心角为99°时钢管混凝土冷却塔仅发生局部坍塌，当缺口圆心角为126°时钢管混凝土冷却塔的倒塌仍然以局部坍塌破坏为主．由此可以说明钢管混凝土冷却塔比钢筋混凝土冷却塔更难发生倒塌破坏．从倒塌后废墟尺寸的大小来看，当缺口圆心角在90°~216°范围内时，钢管混凝土冷却塔倒塌后的废墟长度和宽度总体上要小于钢筋混凝土冷却塔，由此说明钢管混凝土冷却塔倒塌后对周边建(构)筑物的威胁相对较小．从倒塌后动能的大小来看，钢管混凝土冷却塔的动能恒小于钢筋混凝土冷却塔，且其动能峰值仅为钢筋混凝土冷却塔的1/10左右．由此可推测出钢管混凝土冷却塔倒塌后所引起的地面振动要小于钢筋混凝土冷却塔．综合以上三个方面，不难发现钢管混凝土冷却塔的抗倒塌性能优于钢筋混凝土冷却塔．4 结论本研究提出一种施工速度快、施工安全性高和装配率高的钢管混凝土冷却塔，并根据一座177 m高钢筋混凝土冷却塔的工况设计了一座相同高度的钢管混凝土冷却塔，且对该冷却塔的倒塌形态、倒塌原因及抗倒塌性能进行了研究．主要结论如下．a．给出了双曲面型钢管混凝土冷却塔的几何设计理论．将冷却塔的双曲面方程进行变换，求得两条直母线方程的通解，此通解为钢管混凝土冷却塔的几何设计奠定了基础．b．钢管混凝土冷却塔的倒塌形态与切口圆心角的大小密切相关，当缺口圆心角不超过90°时钢管混凝土冷却塔仍保持矗立状态，当缺口圆心角在99°~126°时冷却塔主要发生局部坍塌破坏，当缺口圆心角超过126°时冷却塔主要发生整体倒塌破坏．c．钢管混凝土冷却塔发生倒塌破坏的原因不同于钢筋混凝土冷却塔，其倒塌主要由斜交网壳的局部失稳引起，而非支柱的强度破坏．d．钢管混凝土冷却塔的抗倒塌性能优于钢筋混凝土冷却塔，相比与钢筋混凝土冷却塔，钢管混凝土冷却塔更难发生倒塌破坏，倒塌后对周围环境的威胁和引起的地面振动更小．