某工程采用2×350MW空冷机组，汽轮机排汽冷却采用表凝式间接空冷系统，按2机1塔设计。超大型间接式冷却塔（以下简称间冷塔）风筒采用双曲线形现浇钢筋混凝土结构，塔高180.00m，喉部标高158.40m，进风口标高27.50m，塔顶中面直径103.48m，喉部中面直径102.00m，底部直径为163.74m。风筒壳体采用分段等厚结构，最小厚度0.35m，最大厚度2.30m。风筒由40对X形柱与环板基础连接，X形柱采用矩形断面（1.2m×2.0m）钢筋混凝土结构。环板基础为现浇钢筋混凝土结构，宽12m，厚2m。

本文采用ANSYS有限元软件对冷却塔结构参数进行分析计算，并在静力计算中辅以NASTRAN软件对输出结果进行对比，分析发现采用不同软件进行试验，试验结果误差在允许范围内。2 有限元法简介

有限元法是20世纪60年代发展起来的数值计算方法^[1]。它将求解域看作由许多被称为有限元的互联子域组成，对每1单元假定1个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域的满足条件（如结构的平衡条件）。有限元法的特点是计算精度高，而且能构造多种复杂模型，因而成为行之有效的工程分析手段。ANSYS软件是国内外常用的有限元分析软件，其强大的前后处理功能及丰富的材料库与求解器，使其在土木等领域得到广泛应用^[2]。

NASTRAN软件是美国国家航空航天局（NASA）在1966年为了满足当时航空航天工业对结构分析的需求而主持开发的大型应用程序。1971年地中海航运公司对原始的NASTRAN程序做了大量改进，采用了新的单元库，增强了程序的功能，提高了运算精度和效率。3 有限元模型

本文讨论的间冷塔塔筒属典型的薄壳结构，计算时采用ANSYS软件中的SHELL63单元模拟塔筒结构。SHELL63单元既具有弯曲能力，又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载。间冷塔塔筒结构沿环向分为320份，沿子午向按模板分为104份，共有33280个壳体单元。X支柱与环基采用BEAM188梁单元模拟。BEAM188单元在Timoshen-ko梁理论的基础上进行设计，具有扭切变形效果，是一个二节点的三维线性梁。BEAM188在每个节点上有6或7个自由度。X支柱每对支柱等分为16个梁单元，共有640个梁单元，环基每个跨内分为4个梁单元，共有160个梁单元。弹性地基采用COM-BIN14单元模拟。COMBIN14单元具有1维，2维或3维应用中的轴向或扭转性能。轴向的弹簧—阻尼器选项是1维的拉伸或压缩单元，其每个节点具有3个自由度（x，y，z）。间冷塔有限元模型如图 1所示。

图1(Figure 1)

图 1 间冷塔有限元模型

间冷塔静力分析的单项荷载分别为自重荷载、风荷载（包括内吸力）、温度荷载和日照^[4]。

ANSYS软件是通过施加重力加速度实现自重，其加速度为9.8m/s²。风荷载采用基本风压为0.55kPa，风振系数1.9，结构重要性系数1.0，同时考虑了后期工程建塔而产生的塔群效应系数。温度荷载为塔内温度28.3℃，塔外极端最低气温为-34.5℃。在冬季运行过程中，塔内、外空气的温差为62.80℃，考虑受温度影响的混凝土徐变系数为0.5。日照筒壁温差为25℃。

ANSYS软件经过静态求解后进入通用处理阶段，输出各单项荷载求解后的内力。本文给出了塔筒受风荷载压力最大的0°经线在各单项荷载作用下的弯矩分布，如图 2、图 3所示。

图2(Figure 2)

图 2 0°经线环向弯矩图

图3(Figure 3)

图 3 0°经线子午向弯矩图

本工程同时采用NASTRAN软件对间冷塔进行了建模计算，并将输出的各项荷载内力结果与AN-SYS软件的计算结果进行了比对。2种软件在风荷载、自重和温度荷载下壳体0°经线上的弯矩分布图如图 4—图 9所示。通过内力比较发现，ANSYS与NASTRAN的计算结果误差在允许范围内，试验结果正确。

图4(Figure 4)

图 4 风荷载条件下壳体0°经线环向弯矩对比

图5(Figure 5)

图 5 风荷载条件下壳体0°经线子午向弯矩对比

图6(Figure 6)

图 6 自重荷载条件下壳体0°经线环向弯矩对比

图7(Figure 7)

图 7 自重荷载条件下壳体0°经线子午向弯矩对比

图8(Figure 8)

图 8 温度荷载条件下壳体0°经线环向弯矩对比

图9(Figure 9)

图 9 温度荷载条件下0°经线子午向弯矩对比

图10(Figure 10)

图 10 塔筒在地震作用下的子午向轴力云图

间冷塔的动力分析采用反应谱与时程的响应分析方法。反应谱分析采用的参数：地震烈度为8度的多遇地震，基本地震加速度为0.2469g，特征周期0.35s，竖向与水平向地震加速度之比为0.65。时程分析采用的地震波是该场地的模拟地震波。本文以反应谱分析举例说明。

采用ANSYS软进行反应谱分析时一般有5个步骤：建模—模态分析—获得谱解—扩展模态—合并模态。本工程模态合并采用完全二次项组合法（简称CQC法）^{[5, 6, 7, 8]}，合并求解后进入通用处理并输出地震作用下的内力。本文给出塔筒在地震作用下的子午向轴力云图，如图 10所示。4.4 荷载工况组合

本工程的荷载工况组合根据《GB/T50102—2003工业循环冷却水设计规范》^[4]设计，荷载效应组合如下，其中LC代表组合工况：

（1）基本组合1：LC_1=G+1.4W+0.6T，

（2）基本组合2：LC_2=G+1.4W+0.6S，

（3）基本组合3：LC_3=G+1.4×0.6W+T，

（4）基本组合4：LC_4=G+1.4×0.6W+S，

（5）地震作用组合1：LC_5=G+0.25×1.4W+0.6T+1.3SE（谱），

（6）地震作用组合2：LC_6=G+0.25×1.4W+0.6T+1.3SE（时程），

（7）裂缝验算短期组合1：LC_7=G+W+0.6T，

（8）裂缝验算短期组合2：LC_8=G+0.6W+T，

（9）地基承载力验算组合：LC_9=1.1G+W/β+0.6T，

（10）上拔力验算组合：LC_10=G+1.2W。

通过对塔筒、支柱及基础的各组合内力进行计算分析后认为，对于塔筒、支柱和基础，其配筋计算起控制作用的仍然是以风荷载为主的工况组合。本文着重以支柱为例给出了各工况组合的内力计算结果见表 1、表 2所示。从表中数据中可看出，支柱所受的最大扭矩、剪力、轴力均为以风荷载为主的组合工况。

表1(Table 1)

表 1 不同组合下支柱剪力最大处及其数值

表 1 不同组合下支柱剪力最大处及其数值

表2(Table 2)

表 2 不同组合下支柱扭矩最大处及其数值

表 2 不同组合下支柱扭矩最大处及其数值

（1）通过对2种软件的计算结果进行对比，发现采用ANSYS软件与NASTRAN软件的试验结果在误差允许范围内，说明本文超大间接式冷却塔结构参数的计算结果正确，试验结果满足工程设计的要求。

（2）试验结论：在设计地震烈度为8度，基本地震加速度为0.20g，特征周期0.35s，在场地类别为Ⅱ类的情况下，风荷载仍对上述参数起到控制作用。