何姜江，饶俊勇

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

随着国内火力发电百万机组新建工程的陆续增多，超大型自然通风冷却塔逐渐受到火力发电相关专业人士的重视。与常规湿冷塔相比，由于高位收水冷却塔取消了底部的集水池，以高位收水装置及集水槽代替，降低了水泵扬程，减少了雨区和噪音，因而具有节能环保的优势，有着广阔的应用前景，尤其是对电价高企和电源紧缺的地区，高位收水塔的优势更加明显。

高位收水冷却塔中央竖井区域是整个淋水架构中形式最为复杂的结构。竖井底部与压力沟相连，上部与配水槽(热水槽)相连，下部被集水槽(冷水槽)环绕，顶部有控制配水系统的6个闸门，同时必要时通过4个溢流井将竖井内的水引入竖井外围的集水槽。高位收水冷却塔中央竖井的混凝土工程量是常规冷却塔的2～2.5倍(不计竖井周围集水槽工程量)。

1 中央竖井的结构形式及受力特点

1.1 结构形式

中央竖井由梁、板、柱等构件组成的复杂结构。中央竖井外围为集水槽，沿集水槽纵向布置暗框架，暗框架顶梁上搁置单层配水槽，暗框架沿高度方向从上至下一定间距设置拉梁。暗框架与集水槽侧壁形成一个整体，共同受力。中央竖井零米以下设井座，与压力进水沟相连。竖井井筒下部与压力进水沟相连，上部沿四个方向分别调单孔和双孔配水槽，四周设环形配水槽，井筒外围设4个溢流井。井筒顶部设检修平台。

以重庆地区某工程高位收水冷却塔中央竖井为例，介绍高位收水冷却塔中央竖井的结构形式。该工程中央竖井主工结构尺寸如下：压力进水沟断面尺寸4200 mm×4200 mm，中心标高－4.150 m，集水槽高14.00 m，井筒内孔尺寸4200 mm×4200 mm，顶标高24.00 m。高位收水冷却塔中央竖井结构三维视图及结构剖面图见图1和图2。

1.2 受力特点

中央竖井外围为集水槽主要承受内水压力，其次是单层配水传来的集中荷载以及外部风荷载。内水压力随水深增加而增大，在内水压力作用下，集水槽壁板及框架作为整体，共同受力。井座部分主要承受内水压力、外部土水压力以及井筒上部传递的荷载。由于井座部分外部土水压力相对于内水压力偏小，且方向相反，计算时可不考虑外部土水压力。井筒部分承受内水压力、外水压力、设备自重、检修荷载及风荷载。

中央竖井结构形式复杂，各部分构件之间协同受力，采用常规简化模型计算与实际差异较大，无法满足设计要求。因此，为准确真实地模拟中央竖井结构整体受力的特性，满足结构优化设计的目的，中央竖井的结构设计有必要采用三维有限元整体分析计算。

图1 高位收水冷却塔中央竖井结构三维视图

2 有限元模型

2.1 有限元模型

根据设计资料，中央竖井与集水槽、配水槽及压力进水沟之间设有伸缩缝，中央竖井以伸缩缝为界，进行建模。集水槽、压力进水沟及中央竖井部分采用Shell181壳单元，地梁、拉梁及框架柱等采用bea m188梁单元，桩基采用刚度矩阵模拟桩基的等效刚度方法进行分析。

有限元模型采用直角坐标系，坐标原点位于中央竖井中心点，X轴与集水槽中心线平行，Y轴与压力进水沟中心线平行，Z轴与X和Y垂直，且Z＝X×Y，铅直向上。

整体计算范围共离散为18602个节点和18779个单元，三维有限元计算模型参见图2。

图2 中央竖井三维有限元模型

2.2 荷载及荷载组合

根据中央竖井在高位冷却塔内的布置及运行状况，中央竖井主要承受的静力荷载有结构自重、设备荷载、检修荷载、内水压力和风荷载。

2.2.1 静力荷载

(1)结构自重

中央竖井自身混凝土的重量，按25 kN/m3计。

(2)设备荷载

设备荷载主要包括由单层配水槽传来的荷载包括配水槽自重及配水槽内水重等集中荷载，以及淋水构架配水层主、次梁作用在中央竖井上的集中荷载。

(3)检修荷载

中央竖井顶部设检修平台，其上考虑检修荷载，按10 kN/m2计。

(4)内水压力

中央竖井、集水槽和配水槽内水压力根据工艺专业提供的正常运行水位考虑,内水压力垂直作用于各侧壁内表面。

(5)风荷载

某工程所在地的基本风压为：0.40 kPa，场地类别为：B类。

风荷载作为面荷载作用于集水槽垂直于风向的侧壁外表面。风荷载的计算按《建筑结构荷载设计规范》执行。

2.2.2 地震荷载

根据某工程《厂区水工建构筑物地段岩土工程勘测报告》，厂区冷却塔地段50年超越概率10%的水平地震动峰值加速度为0.08 g，对应的特征周期为Tg＝0.45s。

2.2.3 荷载组合

中央竖井荷载组合工况有基本组合和特殊组合两类。基本组合为正常运行工况，特殊组合为地震工况。具体荷载组合及组合系数详见表1。

内力分析中，取正常运行工况和地震工况中最不利组合进行结构设计

表1 计算方案及荷载组合

2.3 地震分析

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011－2010)，结构构件的地震作用效应的基本组合应按(1)式计算：

式中：γG＝ 1.2，γEh＝ 1.3,ψW＝ 0.0，γEh＝ 1.3，φw＝0.0不考虑竖向地震的作用。

式中 ：γRE＝ 0.85

地震作用下计算的内力值均为正值，而地震波可能同时从两个相反的方向传来，因此，地震工况的计算结果分别取正负与静力计算结构组合。

组合一为：

组合二为：

3 结构设计

中央竖井采用C40混凝土，钢筋采用HRB400级，中央竖井各构件的保护层厚度均取30 mm。长度单位为 m，轴力以压为正，拉为负，单位kN，弯矩单位为kN˙ m。

3.1 地梁

地梁共6根，布置于暗框架底部，对称分布，主要用于支承上部结构，并将上部荷载传递至桩基顶部。地梁采用矩形断面，高H＝2000 mm，宽B＝1400 mm，梁顶标高±0.00 m。

有限元最大内力计算结果见表2，根据以下内力计算结果，通过配筋计算得：地梁(B×H＝1400 mm×2000 mm)配筋：上下层均为22E25，箍筋：d14@100。

表2 地梁最大内力计算结果汇总

3.2 配水槽梁

配水槽梁共2根，布置于框架(KJ－1)顶部，沿压力进水沟中心线对称分布，主要用于支承配水槽。配水槽梁采用矩形断面，高H＝1865 mm，宽B＝700 mm，梁顶标高15.865 m。

有限元最大内力计算结果见表3，根据以下内力计算结果，通过配筋计算得：地梁(B×H＝700×1865 mm)配筋：上下层均为14E25，箍筋：d12@100。

表3 配水槽梁最大内力计算结果汇总

3.3 圆柱

圆柱布置于暗框架上(KJ－2)，主要用于支承溢流孔池壁的重力，直径D＝600 mm，高7.25 m。

有限元最大内力计算结果见表4，根据以下内力计算结果，通过配筋计算得：D＝600 mm圆柱配筋：18E20，箍筋：d12@150。

表4 圆柱最大内力计算结果汇总

3.4 框架柱

框架柱共12根，对称布置，主要与集水槽壁联合作用，承担内水压力，并通过拉梁相连，提高整体稳定性，改善受力状况。框架柱采用矩形断面，高H＝1200 mm，宽B＝1000 mm，高12.90 m(14.00 m)。

有限元最大内力计算结果见表5，根据以下内力计算结果，通过配筋计算得：框架柱(B×H＝1000 mm×1200 mm)配筋：内外侧均为15E25，箍筋：d12@100/200。

表5 框架柱最大内力计算结果汇总

3.5 拉梁

每榀暗框架柱设3层拉梁，顶标高依次为2.20 m、5.20 m和9.20 m，共18根，对称布置。拉梁主要与暗框架联合作用，承担内水压力。通过拉梁相连，可提高框架及池壁整体稳定性，改善受力状况。

KJ－1上 为 拉 梁(LL-1)共3根， 高H＝400 mm，宽B＝1000 mm，单根长6.36 m；KJ－2上为拉梁(LL－2)共3根，高H＝400 mm，宽B＝600 mm，单根长12.40 m；KJ－3上为拉梁(LL－3)共3根，高H＝400 mm，宽B＝600 mm，单根长2.50 m。

有限元最大内力计算结果见表6，根据以下内力计算结果，通过配筋计算得：拉梁(B×H＝1000×400 mm)配筋：上下层均为15E25，箍 筋：d12@100/200；拉 梁 (B×H＝600 mm×400 mm)配筋：上下层均为10E25，箍筋：d12@100/200。

表6 拉梁最大内力计算结果汇总

3.6 集水槽

集水槽标高14.00 m～10.00 m之间侧壁壁厚为300 mm，10.00 m～0.00 m之间侧壁厚度为600 mm，±0.00 m标高处底板厚为800 mm。

3.6.1 底板

集水槽底板厚度为800 mm厚，承受集水槽内14 m深的水压，根据有限元分析得到的最大内力，进行配筋计算，经配筋计算得800 mm后底板配筋如下：

垂直向下层：E25@200，垂直向上层：E22@100。

水平向下层：E25@200，水平向上层：E22@100。见表7。

表7 集水槽底板最大内力计算结果汇总

3.6.2 壁板(300 mm)

根据有限元分析得到的最大内力，进行配筋计算，经配筋计算得，集水槽14.00 m～10.00 m层壁板(300 mm厚)配筋如下：

垂直向外侧：E16@200，垂直向内侧：E16@200。

水平向外侧：E14@100，水平向内侧：E16@100。见表8。

表8 集水槽壁板(300 mm)最大内力计算结果汇总

3.6.3 壁板(600 mm)内力分析

根据有限元分析得到的最大内力，进行配筋计算，经配筋计算得，集水槽0.00 m～10.00 m层壁板(600 mm厚)配筋如下：

垂直向外侧：E20@100，垂直向内侧：E22@100。

水平向外侧：E20@100，水平向内侧：E22@100。见表9。

表9 集水槽壁板(600 mm)最大内力计算结果汇总

3.7 竖井井筒

竖井井筒标高0.00 m处壁厚为1000 mm，至7.25.00 m渐变至600 mm，7.25 m～14.42 m之间侧壁厚度为600 mm，14.42 m～21.80 m之间侧壁厚度为400 mm。

3.7.1 井筒壁板(1000 mm)结构分析

井筒筒壁0.00 m标高处厚度为1000 mm厚，7.25 m标高处厚度为600 mm，承受井筒内21.8 m深的水压。根据有限元分析得到的最大内力，进行配筋计算，得井筒筒壁配筋如下：

垂直向(外层)：E25@100，垂直向(内层)：E25@200。

水平向跨中(内层)：E25@200，水平向支座(外层处)：E25@100。见表10。

表10 井筒壁板(1000 mm)最大内力计算结果汇总

3.7.2 壁板(600 mm)内力分析

井筒筒壁标高7.25 m～14.42 m之间厚度为600 mm厚，承受井筒内水压。根据有限元分析得到的最大内力，通过配筋计算，实际配筋如下：

垂直向(内外侧)：E25@200。

水平向跨中：E22@200，水平向支座：E22@100。见表11。

表11 井筒壁板(600 mm)最大内力计算结果汇总

3.7.3 壁板(400 mm)内力分析

井筒筒壁标高14.42 m～21.80 m之间厚度为400 mm厚，承受井筒内水压。根据有限元分析得到的最大内力，通过配筋计算，实际配筋如下：

垂直向：E18@200；水平向：E20@200。见表12。

表12 井筒壁板(400 mm)最大内力计算结果汇总表

3.8 压力进水沟

中央竖井压力进水沟为矩形断面，净空尺寸4200 mm×4200 mm，壁厚1500 mm。压力进水沟壁板厚度为1500 mm厚，承受配水槽内21.80 m深的水压，根据有限元分析得到的最大内力，通过配筋计算，实际配筋如下：

垂直向(上下层)：E28@150;水平向(上下层)：E28@150。见表13。

表13 压力进水沟最大内力计算结果汇总

4 结论

通过高位收水冷却塔中央坚井结构三维有限元静动力分析，可得出如下结论：

(1)三维有限元静动力分析能准确的模拟中央竖井在各种工况下各构件的结构形式和受力特点，计算出中央竖井各构件的内力(弯矩、轴力、剪力)，依此进行中央竖井各构件的配筋，做到安全经济。

(2)三维有限元计算能准确模拟中央竖井的整体抗震性能。采用振型叠加反应谱法对中央竖井进行地震工况计算分析，根据地震工况计算结果验算中央竖井各构件的截面尺寸和结构配筋。

(3)目前该工程已投产，目前冷却塔中央竖井运行正常，达到设计目标。

[1]牛楠，王宝福，李晶晶.高位收水冷却塔塔芯支撑结构设计[J].电力勘测设计，2014，(S1).

[2]GB50010－2010，混凝土结构设计规范[S].

[3]GB50009－2012，建筑结构荷载规范[S].

[4]GB 50011－2010，建筑抗震设计规范[S].