圆柱-截锥钢结构空冷塔体系优化选型及抗灾关键理论研究

For the urgent need in application of the steel structure system in large-scale industrial cooling towers, the project is to study structural optimization, instability mechanisms and envelopments wind-induced fatigue of cylinder-cone type steel air cooling tower under various loads. The main research contians: (1) Study the cooling efficiency and the shape optimization methods of cylinder-cone type air cooling towers through comparing the different hyperbolic-types of cooling towers, reasonable scopes of various typical grid systems are proposed from systematical parameter analysis; (2) Considering safe and easy construction, propose the reasonable assembly joints, the perfomance and the structural stability critical loads of the joints are also expected to investigate with the effect on joints stiffness and nonlinear response; (3) Determine the wind vibration coefficient of cylinder-cone type steel air cooling tower through the wind tunnel tests and numerical simulations; study the instability mechanisms of steel air cooling towers by considering the uncertainty parameters of structures and loads; propose the stability evaluation methods based on the structure reliability theories; (4) Study the wind-induced fatigue performance, the continuous damage effect and the skin effect of the envelopments, establish a series of defined design methods of enclosure structures. Aiming on the practical application, all the conclusions from this project would be the sufficient supports for the popularization of industrial large steel air cooling towers.

本项目针对钢结构体系在大型工业冷却塔应用中的迫切需求，凝练关键理论问题，对圆柱-截锥型钢结构空冷塔体系的优化选型、荷载下的失稳机理及围护结构风致疲劳等问题开展研究。项目研究内容主要包括：（1）通过对比双曲线型，研究圆柱-截锥型空冷塔的冷却效率与优化选型方法，通过参数分析获得各类典型网格体系的合理适用范围；（2）考虑合理受力与施工可行性，提出全装配式节点的形式，研究节点力学性能及考虑节点刚度、非线性响应对结构稳定性的影响；（3）通过风洞试验与数值仿真，提出圆柱-截锥型钢结构空冷塔风振系数建议取值；考虑荷载、结构参数的不确定性，研究圆柱-截锥型钢结构空冷塔的失稳机理，提出基于结构可靠度理论的稳定性评估方法；（4）研究围护结构的风致疲劳性能、连续破坏效应，提出围护结构的设计建议；建立考虑蒙皮效应的结构设计方法。本项目以实用化为研究目标，所取得的成果将为工业大型钢结构空冷塔的推广应用提供理论支撑。

本项目针对工业大型圆柱—截锥型钢结构空冷塔开展了较为系统的研究，从圆柱—截锥型空冷塔的热力性能、适用于钢结构冷却塔的装配式节点力学性能、钢结构冷却塔的结构性能及围护结构性能等方面解决了制约该新型结构体系分析应用的关键理论问题，为工业大型钢结构空冷塔的推广应用提供理论支撑。通过本项目的开展，取得的主要理论成果有：.（1）开展了圆柱—截锥型空冷塔的热力性能研究，并基于热力性能及结构性能提出了空冷塔关键参数取值范围建议；.（2）提出了适用于钢结构冷却塔的三种装配式节点，获得了节点构造、螺栓排数、连接件厚度等对其弯剪性能、偏心受力性能及定轴受弯性能的影响。.（3）开展了圆柱—截锥型冷却塔的测压风洞试验，获得了冷却塔表面风压分布规律，为冷却塔的结构设计提供依据。同时开展了圆柱—截锥型冷却塔的风振分析，提出了风振系数取值建议；.（4）开展了圆柱—截锥型钢结构冷却塔的静力性能分析，提出了初始缺陷形态选取方法及基于一阶屈曲模态的加强环布置方法，并分析了支承形式、不对称风压对冷却塔承载能力的影响；.（5）开展了考虑节点半刚性的钢结构冷却塔静力性能研究，获得了节点刚度、塔高及网格尺寸等对冷却塔承载能力的影响；.（6）开展了考虑蒙皮效应的钢结构冷却塔静力性能研究，获得了塔高及网格尺寸、连接件刚度、面板厚度对冷却塔承载能力的影响；.（7）开展了钢结构冷却塔围护结构的疲劳性能试验，获得了典型铝合金压型板与自攻螺钉连接形式的疲劳寿命S-N曲线，建立了钢结构冷却塔围护结构疲劳寿命的快速评估方法。.项目成果在国内外学术刊物及学术会议上发表25篇论文，其中SCI收录22篇、EI收录3篇；培养博士研究生3名，硕士研究生10名。以上研究成果为圆柱—截锥型钢结构冷却塔的推广应用提供了有力支持。