CN106202817A - 一种基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法。所述基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法包括如下步骤：a、建立大型冷却塔的有限元模型；b、针对所述有限元模型进行动力特性分析；c、提取各阶振型的质量参与系数比值；d、进行大型冷却塔现场实测并通过模态分析获得结构阻尼比；e、考虑各阶阻尼比及其对应阶的振型质量参与系数，计算得到各阶模态等效阻尼比；f、整合分析获得大型冷却塔整体结构的综合等效阻尼比。所述基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法克服了传统冷却塔结构动力分析中阻尼比只能给出取值范围或均值的局限，有效提高了大型冷却塔抗风抗震分析的精确度与可靠性。

Description

一种基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法

技术领域

本发明属于冷却塔技术领域，具体地涉及一种基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法。

背景技术

近年来，随着发电机组容量的增加和电力行业“上大压小”项目的实施，冷却塔淋水面积和高度也随之增加。在这一期间，涌现出一批超规范(190m)高度限制的大型冷却塔工程，现今在建的有山西潞安长子高河电厂间冷塔(220m)和彭泽核电湿冷塔(215m)。

超大型冷却塔主体结构是典型的高耸、薄壁壳体结构，具有柔度大、自振频率低的特点，阻尼比作为耗散冷却塔结构振动能量的主要动力特性之一备受专家学者的关注。

在超大型冷却塔的现场测试中，阻尼比的确定取值未有定论，在后续结构的抗风抗震评估中只能给出阻尼比的取值范围，这一重大的缺陷直接影响到结构风振与地震响应分析的准确性和可靠性。

大型冷却塔其结构自振频率分布密集，模态耦合性强，其振型多以塔筒的局部振动为主，低阶振型的质量参与系数较低，且现场实测中获得的模态识别结果只能较为精确的给出低阶模态参数(频率、阻尼比及振型)识别结果。

国内外鲜有学者针对超大型冷却塔确定阻尼比进行深入研究，现行动力分析仍采用《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中混凝土结构的阻尼比5％，该数值不能很好地体现大型冷却塔结构自身的阻尼特性，其计算结果难以真实反映结构在风和地震作用下的动态响应。

因此，有必要提供一种可以为冷却塔整体结构的抗风抗震影响评估与安全性评价提供准确有效的阻尼比取值的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以为冷却塔整体结构的抗风抗震影响评估与安全性评价提供准确有效的阻尼比取值的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法。

本发明的技术方案如下：一种基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法，包括如下步骤：

a、建立大型冷却塔的有限元模型；

b、针对所述有限元模型进行动力特性分析；

c、提取各阶振型的质量参与系数比值；

d、进行大型冷却塔现场实测并通过模态分析获得结构阻尼比；

e、考虑各阶阻尼比及其对应阶的振型质量参与系数，计算得到各阶模态等效阻尼比；

f、整合分析获得大型冷却塔整体结构的综合等效阻尼比。

优选地，在步骤a中，采用离散结构的有限单元方法建立大型冷却塔精细化有限元模型，塔筒及顶部刚性环离散为空间壳单元，塔筒下部环基及支柱采用空间梁单元模拟，每个环基下部采用空间弹簧单元模拟弹性地基，采用三个力弹簧单元和三个力矩弹簧单元分别模拟桩基沿竖向、环向、径向、绕竖向、绕环向和绕径向的作用，弹簧单元一端与环基刚性连接，另一端固结约束，建立冷却塔整体有限元模型。

优选地，在步骤b中，采用Block Lanczos法求解结构模态参数，其特点是Lanczos算法中仅涉及到矩阵与向量的乘积，能够充分利用矩阵的稀疏性，通过三项递推公式产生正交矩阵，通过将原来对称矩阵经正交相似变化约化成三对角矩阵，最后求解对称的三对角矩阵的特征值从而得到结构的模态参数。

优选地，在步骤c中，根据步骤b分析得到的结构模态参数提取前N阶低阶振型质量参与系数，即各阶振型的参与权重值m_i，假定前N阶振型质量参与系数总和为m_sum，将提取得到的大型冷却塔前N阶的振型质量参与系数m_i转化为m_i ^*＝m_i/m_sum，由此获得大型冷却塔前N阶各阶等效振型质量参与系数m_i ^*。

优选地，在步骤d中，通过现场实测测得塔筒振动加速度响应，并采用多种常规主流的时域、频域和时频域方法进行模态参数识别，从而识别出被测冷却塔的前N阶(N≤10)阻尼比数值。

优选地，所述步骤d具体包括如下步骤：

根据冷却塔的低阶典型模态得到塔筒振幅大的位置，并在塔筒振幅大的位置安装传感器，完成布设测点；

采用动态信号采集仪对布设测点进行多通道同步采集塔筒振动信号，并获得典型测点信号的时域图；

采用多种时域、频域及时频域方法对采集得到的所述典型测点信号的时域图进行分析，并获取大型冷却塔的模态参数识别结果。

优选地，在步骤e中，将现场测试分析所得的各阶阻尼比ξ_i该对应阶振型等效质量参与系数m_i ^*而得到对应各阶模态等效阻尼比ξ_i ^*，定义各阶模态等效阻尼比ξ_i ^*为：

ξ_i ^*＝m_i ^*×ξ_i

其中m_i ^*为各阶振型的等效质量参与系数；ξ_i为现场测试分析所得的各阶阻尼比；ξ_i ^*为结构模态i阶等效阻尼比。

优选地，在步骤f中，设定整体结构的综合等效阻尼比ξ_syn，则综合等效阻尼比ξ_syn为：

${\mathrm{\ξ}}_{syn}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_i^{*}$

其中，ξ_i ^*为结构模态i阶等效阻尼比；ξ_syn为结构的综合等效阻尼比。

优选地，所述大型冷却塔为钢筋混凝土冷却塔或钢结构冷却塔。

本发明的有益效果在于：所述基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法中阻尼比取值考虑了典型低阶振型参与振动的有效质量对整体结构质量的贡献率，给出了冷却塔的唯一确定综合等效阻尼比取值方法，克服了传统阻尼比取值只能给出取值范围或均值的局限，提高了大型冷却塔阻尼比取值的精确度与可靠性，为冷却塔整体结构的抗风、抗震动力分析提供准确有效的阻尼比取值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法的流程框图；

图2是图1所示的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非上下文另有特定清楚的描述，本发明中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本发明并不对此进行限定。本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。

请同时参阅图1和图2，图1是本发明实施例提供的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法的流程框图；图2是图1所示的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法的流程示意图。本发明实施例提供的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法100中阻尼比取值考虑了典型低阶振型参与振动的有效质量对整体结构质量的贡献率，进而通过结构有限元分析得到的结构低阶阻尼比与对应阶的振型质量参与系数给出本发明实施例所提出的综合等效阻尼比。优选地，所述大型冷却塔为钢筋混凝土冷却塔或钢结构冷却塔。例如，所述大型冷却塔的总高180m，喉部高度142.2m，喉部半径54.8m，进风口高度28.6m，零米半径80.0m，塔筒由54对X型支柱支撑，而且塔筒混凝土等级为C40，X型支柱混凝土等级为C45，环基混凝土等级为C35。

所述基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法100具体包括如下步骤：

S1、建立大型冷却塔的有限元模型。

具体地，在步骤S1中，采用离散结构的有限单元方法建立大型冷却塔精细化有限元模型，塔筒及顶部刚性环离散为空间壳单元，塔筒下部环基及支柱采用空间梁单元模拟。例如，在每个环基下部采用空间弹簧单元模拟弹性地基，采用三个力弹簧单元和三个力矩弹簧单元分别模拟桩基沿竖向、环向、径向、绕竖向、绕环向和绕径向的作用，弹簧单元一端与环基刚性连接，另一端固结约束，建立冷却塔整体有限元模型。

S2、针对有限元模型进行动力特性分析。

具体地，在步骤S2中，采用Block Lanczos法求解结构模态参数，其特点是Lanczos算法中仅涉及到矩阵与向量的乘积，能够充分利用矩阵的稀疏性，通过三项递推公式产生正交矩阵，通过将原来对称矩阵经正交相似变化约化成三对角矩阵，最后求解对称的三对角矩阵的特征值从而得到结构的模态参数。

S3、提取各阶振型的质量参与系数比值。

具体地，在步骤S3中，根据步骤S2分析得到的结构模态参数提取前N阶低阶振型质量参与系数，即各阶振型的参与权重值m_i，假定前N阶振型质量参与系数总和为m_sum，将提取得到的大型冷却塔前N阶的振型质量参与系数m_i转化为m_i*＝m_i/m_sum，由此获得大型冷却塔前N阶各阶等效振型质量参与系数m_i*。

例如，在步骤S3中，采用Block Lanczos法求解结构模态参数，提取前10阶模态参数与振型质量参与系数，且结果如表1所示。

表1

而且，需要说明的是，由于大型冷却塔其结构自振频率分布密集，各阶模态耦合性强，振型多以塔筒的局部振动为主，各阶振型的质量参与系数较低，若根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中5.2.2条规定：“结构抗震计算中选取的振型个数一般取振型质量达到总质量90％所需的振型数”，对于大型冷却塔结构而言振型数需要达到300阶以上才能使振型质量参与系数达到90％以上，这是不可行的，因此本发明以现场测试识别得到的阻尼比阶数(N)为基准，提取大型冷却塔前N阶的振型质量参与系数m_i。

S4、进行大型冷却塔现场实测并通过模态分析获得结构阻尼比。

具体地，在步骤S4中，首先通过现场实测测得塔筒振动加速度响应，随后采用多种常规主流方法进行模态参数识别，可有效识别出被测冷却塔的前N阶(N≤10)阻尼比数值。所述常规主流方法包括ITD法、STD法和ARMA法等时域方法，峰值法等频域方法，以及HHT法和小波变换等时频域方法。在本实施例中，通过现场实测测得塔筒振动加速度响应，并采用多种常规主流的时域、频域和时频域方法进行模态参数识别，从而识别出被测冷却塔的前N阶(N≤10)阻尼比数值。

例如，在本实施例中，通过采用多种时域(ITD法、STD法、ARMA法)、频域(峰值法)及时频域(HHT法和小波变换)方法分析得到的大型冷却塔低阶阻尼比(ξ_i)的识别结果如表2所示：

表2

而且，所述步骤S4具体包括如下步骤：

根据冷却塔的低阶典型模态得到塔筒振幅大的位置，并在塔筒振幅大的位置安装传感器，完成布设测点；

采用动态信号采集仪对布设测点进行多通道同步采集塔筒振动信号，并获得典型测点信号的时域图；

采用多种时域、频域及时频域方法对采集得到的所述典型测点信号的时域图进行分析，并获取大型冷却塔的模态参数识别结果。

S5、考虑各阶阻尼比及其对应阶的振型质量参与系数，计算得到各阶模态等效阻尼比。

具体地，在步骤S5中，将现场测试分析所得的各阶阻尼比ξ_i该对应阶振型等效质量参与系数m_i ^*而得到对应各阶模态等效阻尼比ξ_i ^*，定义各阶模态等效阻尼比ξ_i ^*为：

ξ_i ^*＝m_i ^*×ξ_i

其中m_i ^*为各阶振型的等效质量参与系数；ξ_i为现场测试分析所得的各阶阻尼比；ξ_i ^*为结构模态i阶等效阻尼比。

S6、整合分析获得大型冷却塔整体结构的综合等效阻尼比。

在步骤S6中，设定整体结构的综合等效阻尼比ξ_syn，则综合等效阻尼比ξ_syn为：

${\mathrm{\ξ}}_{syn}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_i^{*}$

其中，ξ_i ^*为结构模态i阶等效阻尼比；ξ_syn为结构的综合等效阻尼比。

相较于现有技术，本发明提供的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法100中阻尼比取值考虑了典型低阶振型参与振动的有效质量对整体结构质量的贡献率，给出了冷却塔的唯一确定综合等效阻尼比取值方法，克服了传统阻尼比取值只能给出取值范围或均值的局限，提高了大型冷却塔阻尼比取值的精确度与可靠性，为冷却塔整体结构的抗风、抗震动力分析提供准确有效的阻尼比取值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法，其特征在于：包括如下步骤：

a、建立大型冷却塔的有限元模型；

b、针对所述有限元模型进行动力特性分析；

c、提取各阶振型的质量参与系数比值；

d、进行大型冷却塔现场实测并通过模态分析获得结构阻尼比；

e、考虑各阶阻尼比及其对应阶的振型质量参与系数，计算得到各阶模态等效阻尼比；

f、整合分析获得大型冷却塔整体结构的综合等效阻尼比。

2.根据权利要求1所述的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法，其特征在于：在步骤a中，采用离散结构的有限单元方法建立大型冷却塔精细化有限元模型，塔筒及顶部刚性环离散为空间壳单元，塔筒下部环基及支柱采用空间梁单元模拟，每个环基下部采用空间弹簧单元模拟弹性地基，采用三个力弹簧单元和三个力矩弹簧单元分别模拟桩基沿竖向、环向、径向、绕竖向、绕环向和绕径向的作用，弹簧单元一端与环基刚性连接，另一端固结约束，建立冷却塔整体有限元模型。

3.根据权利要求1所述的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法，其特征在于：在步骤b中，采用Block Lanczos法求解结构模态参数，其特点是Lanczos算法中仅涉及到矩阵与向量的乘积，能够充分利用矩阵的稀疏性，通过三项递推公式产生正交矩阵，通过将原来对称矩阵经正交相似变化约化成三对角矩阵，最后求解对称的三对角矩阵的特征值从而得到结构的模态参数。

4.根据权利要求3所述的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法，其特征在于：在步骤c中，根据步骤b分析得到的结构模态参数提取前N阶低阶振型质量参与系数，即各阶振型的参与权重值m_i，假定前N阶振型质量参与系数总和为m_sum，将提取得到的大型冷却塔前N阶的振型质量参与系数m_i转化为m_i ^*＝m_i/m_sum，由此获得大型冷却塔前N阶各阶等效振型质量参与系数m_i ^*。

5.根据权利要求1所述的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法，其特征在于：在步骤d中，通过现场实测测得塔筒振动加速度响应，并采用多种常规主流的时域、频域和时频域方法进行模态参数识别，从而识别出被测冷却塔的前N阶(N≤10)阻尼比数值。

6.根据权利要求5所述的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法，其特征在于：所述步骤d具体包括如下步骤：

根据冷却塔的低阶典型模态得到塔筒振幅大的位置，并在塔筒振幅大的位置安装传感器，完成布设测点；

采用动态信号采集仪对布设测点进行多通道同步采集塔筒振动信号，并获得典型测点信号的时域图；

采用多种时域、频域及时频域方法对采集得到的所述典型测点信号的时域图进行分析，并获取大型冷却塔的模态参数识别结果。

7.根据权利要求1所述的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法，其特征在于：在步骤e中，将现场测试分析所得的各阶阻尼比ξ_i该对应阶振型等效质量参与系数m_i*而得到对应各阶模态等效阻尼比ξ_i ^*，定义各阶模态等效阻尼比ξ_i ^*为：

ξ_i ^*＝m_i ^*×ξ_i

其中m_i ^*为各阶振型的等效质量参与系数；ξ_i为现场测试分析所得的各阶阻尼比；ξ_i ^*为结构模态i阶等效阻尼比。

8.根据权利要求1所述的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法，其特征在于：在步骤f中，设定整体结构的综合等效阻尼比ξ_syn，则综合等效阻尼比ξ_syn为：

${\mathrm{\ξ}}_{syn}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ξ}}_i}^{*}$

其中，ξ_i ^*为结构模态i阶等效阻尼比；ξ_syn为结构的综合等效阻尼比。

9.根据权利要求1所述的基于现场实测大型冷却塔综合等效阻尼比取值方法，其特征在于：所述大型冷却塔为钢筋混凝土冷却塔或钢结构冷却塔。