CN106250601A - 双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定方法及装置，其中，所述方法包括：确定双曲线钢结构冷却塔上预设测点对应的体型系数；将所述预设测点对应的体型系数转换为局部体型系数；根据所述双曲线钢结构冷却塔所处的地貌条件，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的阵风系数和风压高度变化系数；根据所述局部体型系数、阵风系数以及风压高度变化系数，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压极值。本发明提供的一种双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定方法及装置，能够根据双曲线钢结构冷却塔的实际构造特点，确定出准确的风压极值。

Description

双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定方法及装置

技术领域

本发明涉及冷却塔防护技术领域，尤其涉及一种双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定方法及装置。

背景技术

大型双曲线冷却塔是内陆电厂中最为普遍的换热装置，随着国家政策和技术条件的提高，新型大型双曲线钢结构冷却塔成为电厂冷却设备的主要选择之一。

在实际应用场景中，作用在冷却塔结构上的风荷载总是随时空变化的，在对建筑结构进行抗风设计时，常常需要关注局部风压，研究人员和工程师们最关注的往往是风荷载的极值，用极值验算结构的安全性。

大型双曲线钢结构冷却塔作为一种新颖的典型风敏感结构，与传统的双曲线型钢筋混凝土冷却塔相比，没有类似工程经验可以借鉴，设计参数选取不当可能会引起结构的风灾破坏。因此，对大型双曲线钢结构冷却塔进行表面极值风压研究成为此类冷却塔抗风设计亟待解决的问题。

现有技术中对于大型冷却塔风压取值的规定均局限于传统双曲线钢筋混凝土冷却塔平均风压分布，将其作为大型双曲线钢结构冷却塔风荷载设计的取值主要存在以下不足：钢结构冷却塔主要由内部的格构式钢框架支撑和外表面的围护层两部分组成，其外部围护层受外表面风吸力影响严重，现有技术中并未考虑大型双曲线钢结构冷却塔作为围护结构的阵风荷载效应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定方法及装置，能够根据双曲线钢结构冷却塔的实际构造特点，确定出准确的风压极值。

为实现上述目的，本发明提供了一种双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定方法，所述方法包括：根据预设的平均风压系数的取值范围，确定与双曲线钢结构冷却塔上预设测点相关的拟合系数，并根据所述拟合系数以及所述预设测点与正迎风面的夹角确定所述预设测点对应的体型系数；将所述预设测点对应的体型系数转换为局部体型系数；根据所述双曲线钢结构冷却塔所处的地貌条件，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的阵风系数和风压高度变化系数；根据所述局部体型系数、阵风系数以及风压高度变化系数，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压极值。

进一步地，按照下述公式确定所述预设测点对应的体型系数：

${\mathrm{\μ}}_{si}=a_0+\underset{i=1}{\overset{7}{\Σ}}{a}_{i}cos(i\×\mathrm{\θ})$

其中，μ_si表示第i个测点对应的体型系数，a₀和a_i表示与第i个测点相关联的拟合系数，θ表示第i个测点与正迎风面的夹角。

进一步地，按照下述公式将所述预设测点对应的体型系数转换为局部体型系数：

μ_sl＝1.25*μ_si

其中，μ_sl表示第i个测点对应的局部体型系数，μ_si表示第i个测点的体型系数。

进一步地，按照下述公式确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的阵风系数：

${\mathrm{\β}}_{gz}=1+2{\mathrm{gI}}_{10}{\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{-\mathrm{\α}}$

其中，β_gz表示第i个测点对应的阵风系数，g表示峰值因子，I₁₀表示10米高度处的名义湍流度，Z_i表示第i个测点所处的高度，α表示地貌粗糙度指数。

进一步地，按照下述公式确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压高度变化系数：

${\mathrm{\μ}}_z=1.000{\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{0.30}$

其中，μ_z表示第i个测点对应的风压高度变化系数，Z_i表示第i个测点所处的高度。

进一步地，按照下述公式确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压极值：

w_kmax＝μ_z*μ_sl*β_gz*w₀

其中，w_kmax表示第i个测点对应的风压极值，μ_z表示第i个测点对应的风压高度变化系数，μ_sl表示第i个测点对应的局部体型系数，β_gz表示第i个测点对应的阵风系数，w₀表示当地基本风压。

为实现上述目的，本发明还提供一种双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定装置，所述装置包括：体型系数确定单元，用于根据预设的平均风压系数的取值范围，确定与双曲线钢结构冷却塔上预设测点相关的拟合系数，并根据所述拟合系数以及所述预设测点与正迎风面的夹角确定所述预设测点对应的体型系数；局部体型系数转换单元，用于将所述预设测点对应的体型系数转换为局部体型系数；地貌参数确定单元，用于根据所述双曲线钢结构冷却塔所处的地貌条件，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的阵风系数和风压高度变化系数；风压极值确定单元，用于根据所述局部体型系数、阵风系数以及风压高度变化系数，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压极值。

进一步地，所述体型系数确定单元按照下述公式确定所述预设测点对应的体型系数：

${\mathrm{\μ}}_{si}=a_0+\underset{i=1}{\overset{7}{\Σ}}{a}_{i}cos(i\×\mathrm{\θ})$

其中，μ_si表示第i个测点对应的体型系数，a₀和a_i表示与第i个测点相关联的拟合系数，θ表示第i个测点与正迎风面的夹角。

进一步地，所述局部体型系数转换单元按照下述公式将所述预设测点对应的体型系数转换为局部体型系数：

μ_sl＝1.25*μ_si

其中，μ_sl表示第i个测点对应的局部体型系数，μ_si表示第i个测点的体型系数。

进一步地，所述风压极值确定单元按照下述公式确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压极值：

w_kmax＝μ_z*μ_sl*β_gz*w₀

其中，w_kmax表示第i个测点对应的风压极值，μ_z表示第i个测点对应的风压高度变化系数，μ_sl表示第i个测点对应的局部体型系数，β_gz表示第i个测点对应的阵风系数，w₀表示当地基本风压。

本发明提供的一种双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定方法及装置，与现有技术相比具有以下有益效果：

1)采用该方法与风洞试验相比有效节省试验费用，且计算过程简单易操作，适用性强；

2)大型双曲线钢结构冷却塔主要由内部的格构式钢框架支撑和外表面的围护层两部分组成，其外部围护层受外表面风吸力影响严重，本发明方法首次提出了此类冷却塔结构需要按照围护结构考虑其极值风压的取值问题；

3)本发明的计算方法以完备的理论模型和取值依据为基础，与实际情况相符，在实际工程中容易操作，可指导并优化大型双曲线钢结构冷却塔抗风设计，对此类冷却塔的工程安全性和施工造价具有决定性的意义。

附图说明

图1为本发明中一种双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定方法的流程图；

图2为本发明中冷却塔上预设高度处的各个测点的体型系数的分布示意图；

图3为本发明中冷却塔上预设高度处的各个测点的局部体型系数的分布示意图；

图4为本发明中冷却塔表面风压极值的二维分布示意图；

图5为本发明中一种双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定装置的功能模块图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都应当属于本申请保护的范围。

图1为本发明中一种双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定方法的流程图。如图1所示，所述方法可以包括以下步骤。

步骤S1：根据预设的平均风压系数的取值范围，确定与双曲线钢结构冷却塔上预设测点相关的拟合系数，并根据所述拟合系数以及所述预设测点与正迎风面的夹角确定所述预设测点对应的体型系数。

在本实施方式中，所述预设的平均风压系数的取值范围可以在《工业循环水冷却设计规范》(GB/T 50102-2014)中限定。根据《工业循环水冷却设计规范》中对双曲线冷却塔平均风压系数的取值限定，再结合本实施方式中双曲线钢结构冷却塔的实际地理位置，可以确定出如表1所示的与双曲线钢结构冷却塔上预设测点相关的拟合系数：

表1与双曲线钢结构冷却塔上预设测点相关的拟合系数示意表

a0	a1	a2	a3	a4	a5	a6	a7
								-0.4426	0.2451	0.6752	0.5356	0.0615	-0.1384	0.0014	0.0650

在本实施方式中，在所述双曲线钢结构冷却塔的表面可以分布预设数量的测点，这些测点的位置可以通过距离地面的高度以及在冷却塔圆周上的环向角度来表示。所述环向角度的范围在0度至360度之间。假设在双曲线钢结构冷却塔表面的某一圈上等间隔分布了10个测点，那么这10个测点分别对应的环向角度就可以为0°、36°、72°、…、324°。

在本实施方式中，当确定出与所述预设测点相关的拟合系数之后，便可以根据所述拟合系数以及所述预设测点与正迎风面的夹角确定所述预设测点对应的体型系数。具体地，可以按照下述公式确定所述预设测点对应的体型系数：

${\mathrm{\μ}}_{si}=a_0+\underset{i=1}{\overset{7}{\Σ}}{a}_{i}cos(i\×\mathrm{\θ})$

其中，μ_si表示第i个测点对应的体型系数，a₀和a_i表示与第i个测点相关联的拟合系数，θ表示第i个测点与正迎风面的夹角。

本实施方式中，所述双曲线钢结构冷却塔表面上预设高度处的各个测点对应的体型系数可以如图2所示，从图2中可以看出，所述双曲线钢结构冷却塔表面上预设高度处的测点可以通过环向角度来表示。

步骤S2：将所述预设测点对应的体型系数转换为局部体型系数。

在本实施方式中，由于双曲线钢结构冷却塔属于一种新型的围护结构，可以按围护结构定义将测点体型系数转换成局部体型系数。具体地，可以按照下述公式将所述预设测点对应的体型系数转换为局部体型系数：

μ_sl＝1.25*μ_si

其中，μ_sl表示第i个测点对应的局部体型系数，μ_si表示第i个测点的体型系数。

本实施方式中，所述双曲线钢结构冷却塔表面上预设高度处的各个测点对应的局部体型系数可以如图3所示，从图3中可以看出，所述双曲线钢结构冷却塔表面上预设高度处的各个测点可以通过环向角度来表示。

步骤S3：根据所述双曲线钢结构冷却塔所处的地貌条件，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的阵风系数和风压高度变化系数。

在本实施方式中，在对所述双曲线钢结构冷却塔表面的风压极值进行确定之前，需要根据所述双曲线钢结构冷却塔所处的地貌条件，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的阵风系数。具体地，按照下述公式确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的阵风系数：

${\mathrm{\β}}_{gz}=1+2{\mathrm{gI}}_{10}{\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{-\mathrm{\α}}$

其中，β_gz表示第i个测点对应的阵风系数，g表示峰值因子，I₁₀表示10米高度处的名义湍流度，Z_i表示第i个测点所处的高度，α表示地貌粗糙度指数。在本实施方式中，所述地貌条件可以被划分为A、B、C、D四种。这四种地貌条件对应的截断高度分别为5m，10m，15m和30m，对应的阵风系数分别不大于1.65，1.70，2.05和2.40。在本实施方式中，所述峰值因子可以取2.5，所述10米高度处的名义湍流度针对不同的地貌条件，也可以取不同的值。具体地，针对A、B、C、D这四种地貌条件，所述10米高度处的名义湍流度可以分别取0.12、0.14、0.23和0.39。

在本实施方式中，与所述双曲线钢结构冷却塔所处的地貌条件相关的参数除了阵风系数之外，还包括风压高度变化系数。不同的地貌条件对应的风压高度变化系数也不同。具体地，A、B、C、D这四种地貌条件分别对应的风压高度变化系数可以通过下组公式依次表示：

${\mathrm{\μ}}_z^A=1.284{\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{0.24}$

${\mathrm{\μ}}_z^B=1.000{\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{0.30}$

${\mathrm{\μ}}_z^C=0.544{\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{0.44}$

${\mathrm{\μ}}_z^D=0.262{\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{0.60}$

其中，Z_i表示第i个测点所处的高度，表示A、B、C、D这四种地貌条件分别对应的风压高度变化系数。

在本实施方式中，所述双曲线钢结构冷却塔实际所处的地貌条件类型为B，因此可以按照下述公式确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压高度变化系数：

${\mathrm{\μ}}_z=1.000{\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{0.30}$

其中，μ_z表示第i个测点对应的风压高度变化系数，Z_i表示第i个测点所处的高度。

步骤S4：根据所述局部体型系数、阵风系数以及风压高度变化系数，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压极值。

在得到所述局部体型系数、阵风系数以及风压高度变化系数之后，便可以确定所述双曲线钢结构冷却塔上预设测点对应的风压极值。具体地，在本实施方式中可以按照下述公式确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压极值：

w_kmax＝μ_z*μ_sl*β_gz*w₀

其中，w_kmax表示第i个测点对应的风压极值，μ_z表示第i个测点对应的风压高度变化系数，μ_sl表示第i个测点对应的局部体型系数，β_gz表示第i个测点对应的阵风系数，w₀表示当地基本风压。

在本实施方式中，对于所述双曲线钢结构冷却塔上的各个测点均可以进行上述步骤S1至S4的处理，从而可以得到各个测点对应的风压极值。请参阅图4，图4为本发明中冷却塔表面风压极值的二维分布示意图。从图4中可以看出，所述双曲线钢结构冷却塔表面的风压极值可以与环向角度以及高度相对应，也就是与各个测点相对应。

在得到所述双曲线钢结构冷却塔的风压极值之后，便可以根据所述风压极值，对所述双曲线钢结构冷却塔进行合理设计。具体地，本实施方式中可以给出所述双曲线钢结构冷却塔喉部高度处的风压极值分布曲线，从而可以作为此类大型双曲线钢结构冷却塔抗风设计的参考。

请参阅图5，本发明还提供一种双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定装置。如图5所示，所述装置包括：

体型系数确定单元100，用于根据预设的平均风压系数的取值范围，确定与双曲线钢结构冷却塔上预设测点相关的拟合系数，并根据所述拟合系数以及所述预设测点与正迎风面的夹角确定所述预设测点对应的体型系数；

局部体型系数转换单元200，用于将所述预设测点对应的体型系数转换为局部体型系数；

地貌参数确定单元300，用于根据所述双曲线钢结构冷却塔所处的地貌条件，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的阵风系数和风压高度变化系数；

风压极值确定单元400，用于根据所述局部体型系数、阵风系数以及风压高度变化系数，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压极值。

在本申请一个优选实施方式中，所述体型系数确定单元100可以按照下述公式确定所述预设测点对应的体型系数：

${\mathrm{\μ}}_{si}=a_0+\underset{i=1}{\overset{7}{\Σ}}{a}_{i}cos(i\×\mathrm{\θ})$

其中，μ_si表示第i个测点对应的体型系数，a₀和a_i表示与第i个测点相关联的拟合系数，θ表示第i个测点与正迎风面的夹角。

在本申请一个优选实施方式中，所述局部体型系数转换单元200可以按照下述公式将所述预设测点对应的体型系数转换为局部体型系数：

μ_sl＝1.25*μ_si

其中，μ_sl表示第i个测点对应的局部体型系数，μ_si表示第i个测点的体型系数。

在本申请一个优选实施方式中，所述风压极值确定单元400可以按照下述公式确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压极值：

w_kmax＝μ_z*μ_sl*β_gz*w₀

其中，w_kmax表示第i个测点对应的风压极值，μ_z表示第i个测点对应的风压高度变化系数，μ_sl表示第i个测点对应的局部体型系数，β_gz表示第i个测点对应的阵风系数，w₀表示当地基本风压。

需要说明的是，上述各个功能模块的具体实现方式以及计算公式均与步骤S1至S4中的描述一致，这里便不再赘述。

本发明提供的一种双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定方法及装置，与现有技术相比具有以下有益效果：

1)采用该方法与风洞试验相比有效节省试验费用，且计算过程简单易操作，适用性强；

2)大型双曲线钢结构冷却塔主要由内部的格构式钢框架支撑和外表面的围护层两部分组成，其外部围护层受外表面风吸力影响严重，本发明方法首次提出了此类冷却塔结构需要按照围护结构考虑其极值风压的取值问题；

3)本发明的计算方法以完备的理论模型和取值依据为基础，与实际情况相符，在实际工程中容易操作，可指导并优化大型双曲线钢结构冷却塔抗风设计，对此类冷却塔的工程安全性和施工造价具有决定性的意义。

上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。

本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

虽然通过实施方式描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims (10)

1.一种双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定方法，其特征在于，所述方法包括：

根据预设的平均风压系数的取值范围，确定与双曲线钢结构冷却塔上预设测点相关的拟合系数，并根据所述拟合系数以及所述预设测点与正迎风面的夹角确定所述预设测点对应的体型系数；

将所述预设测点对应的体型系数转换为局部体型系数；

根据所述双曲线钢结构冷却塔所处的地貌条件，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的阵风系数和风压高度变化系数；

根据所述局部体型系数、阵风系数以及风压高度变化系数，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压极值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照下述公式确定所述预设测点对应的体型系数：

${\mathrm{\μ}}_{si}=a_0+\underset{i=1}{\overset{7}{\Σ}}{a}_{i}cos(i\×\mathrm{\θ})$

其中，μ_si表示第i个测点对应的体型系数，a₀和a_i表示与第i个测点相关联的拟合系数，θ表示第i个测点与正迎风面的夹角。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照下述公式将所述预设测点对应的体型系数转换为局部体型系数：

μ_sl＝1.25*μ_si

其中，μ_sl表示第i个测点对应的局部体型系数，μ_si表示第i个测点的体型系数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照下述公式确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的阵风系数：

${\mathrm{\β}}_{gz}=1+2{\mathrm{gI}}_{10}{\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{-\mathrm{\α}}$

其中，β_gz表示第i个测点对应的阵风系数，g表示峰值因子，I₁₀表示10米高度处的名义湍流度，Z_i表示第i个测点所处的高度，α表示地貌粗糙度指数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照下述公式确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压高度变化系数：

${\mathrm{\μ}}_z=1.000{\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{0.30}$

其中，μ_z表示第i个测点对应的风压高度变化系数，Z_i表示第i个测点所处的高度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照下述公式确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压极值：

w_kmax＝μ_z*μ_sl*β_gz*w₀

其中，w_kmax表示第i个测点对应的风压极值，μ_z表示第i个测点对应的风压高度变化系数，μ_sl表示第i个测点对应的局部体型系数，β_gz表示第i个测点对应的阵风系数，w₀表示当地基本风压。

7.一种双曲线钢结构冷却塔风压极值的确定装置，其特征在于，所述装置包括：

体型系数确定单元，用于根据预设的平均风压系数的取值范围，确定与双曲线钢结构冷却塔上预设测点相关的拟合系数，并根据所述拟合系数以及所述预设测点与正迎风面的夹角确定所述预设测点对应的体型系数；

局部体型系数转换单元，用于将所述预设测点对应的体型系数转换为局部体型系数；

地貌参数确定单元，用于根据所述双曲线钢结构冷却塔所处的地貌条件，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的阵风系数和风压高度变化系数；

风压极值确定单元，用于根据所述局部体型系数、阵风系数以及风压高度变化系数，确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压极值。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述体型系数确定单元按照下述公式确定所述预设测点对应的体型系数：

${\mathrm{\μ}}_{si}=a_0+\underset{i=1}{\overset{7}{\Σ}}{a}_{i}cos(i\×\mathrm{\θ})$

其中，μ_si表示第i个测点对应的体型系数，a₀和a_i表示与第i个测点相关联的拟合系数，θ表示第i个测点与正迎风面的夹角。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述局部体型系数转换单元按照下述公式将所述预设测点对应的体型系数转换为局部体型系数：

μ_sl＝1.25*μ_si

其中，μ_sl表示第i个测点对应的局部体型系数，μ_si表示第i个测点的体型系数。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述风压极值确定单元按照下述公式确定所述双曲线钢结构冷却塔上所述预设测点对应的风压极值：

w_kmax＝μ_z*μ_sl*β_gz*w₀

其中，w_kmax表示第i个测点对应的风压极值，μ_z表示第i个测点对应的风压高度变化系数，μ_sl表示第i个测点对应的局部体型系数，β_gz表示第i个测点对应的阵风系数，w₀表示当地基本风压。