大型冷却塔作为一种空间薄壳的高耸结构，广泛用于热电厂和核电厂。近几十年来，国内的电力行业发展迅速，已建造了一系列超大型冷却塔。传统的大型冷却塔通常由钢筋混凝土制成，然而随着新建冷却塔规模的不断增大，混凝土结构受到一些限制，例如建造周期更长，冬季可施工受限，地基不均匀沉降更大，而且过大的自重容易造成严重的地震破坏。钢结构冷却塔则具有施工速度快，地基浅，抗震性能好等优点，因此可以作为大型冷却塔的一种备选方案。国内钢结构冷却塔的建设仍处于较为初期的阶段，通常应用于中小型空冷塔。大多数100m以上的钢冷却塔仅处于理论研究阶段。内蒙古土佑电厂高124m的双曲面钢结构冷却塔于2017年投入使用，是中国最高的双曲面钢冷却塔。2018年，中国蒙能锡林热电厂建造的181m高的直筒-锥段型钢结构冷却塔成为世界上最高的钢结构空冷塔。其他一些具有三角锥形的钢结构冷却塔仍在设计中。

随着冷却塔高度的增加，结构变柔，阻尼和基频降低，这些都使得风荷载成为主要的设计荷载之一。关于大型冷却塔的抗风性能，现有研究主要集中在传统的钢筋混凝土冷却塔，而关于钢结构冷却塔的研究则主要集中在结构静力设计方面，在风致动力效应方面的研究较少。因此，需要对相关研究给予更多关注。

本文冷却塔是超大型双曲面钢桁结构冷却塔，塔高216.3m，超过了当前设计规范的适用高度限制（<190m），此外，国内外冷却塔的设计规范和标准通常基于钢筋混凝土冷却塔的研究结果，因此，需要更加关注这种超高限钢结构冷却塔的风致效应。对该钢结构冷却塔的固有振动特性进行了分析，并与类似规模的某钢筋混凝土冷却塔结构进行了比较；基于单塔情形下的刚性测压风洞试验，获得了冷却塔塔表面的风压分布；利用本征正交分解（POD），获得结构表面节点的脉动风压时程数据，再利用瞬态动力分析，计算获得了结构位移响应，分析讨论了位移响应和风振系数特征，并研究了结构阻尼参数对钢结构冷却塔风致效应的影响。该研究可以为类似的大型钢结构冷却塔抗风设计提供必要的数据和参考。

      该超大型钢结构冷却塔塔体采用双曲面外形，结构采用内部桁架外加蒙皮的组合形式。冷却塔高216.3m，底部直径181.3m，出口直径124.6m，喉部直径110m，属空间网壳体系钢结构冷却塔，表面设92条子午向人工肋条，肋高150mm，冷却塔的主要尺寸如图1所示。其有限元模型采用ANSYS进行离散模拟，如图2所示。内部桁架子午向共分为46层，环向划分为92列，采用Link8单元进行模拟；外部环向带肋蒙皮采用Shell63单元进行模拟，并考虑其正交异性特性；环基采用beam188和combin14进行模拟；子午向人工肋条仅提供塔筒外表面粗糙度，用于降低表面风荷载，不计入对整体刚度的贡献。钢塔有限元模型共计38,180个单元，蒙皮和空间桁架的平均面质量为145.49kg/m2，总质量约为9516吨。

      风洞试验在同济大学TJ-3风洞中完成，该风洞是一个竖向布置的闭口回流式边界层风洞，封闭试验段长14m，采用矩形截面，宽15m、高2m，而试验采用1:200缩尺比制作冷却塔刚性测压模型，结构迎风面积约为0.66m2，阻塞率约为2.2%。该模型由具有足够强度和刚度的双层有机玻璃板制成，以确保该模型不会出现明显的变形和振动。图4所示为风洞中的刚性测压模型。冷却塔沿通风筒环向与子午向布置了36×12=432个外表面压力测点和36×4=144个内表面压力测点，如图5所示。试验模拟的工程场地为大气边界层B类紊流场，试验中利用尖塔和粗糙元进行模拟，相应的紊流风特性如图6所示。

      双曲线型圆截面冷却塔属典型流线形结构，在风洞测压试验中采用了较大的缩尺比，导致风洞试验模型与原型结构雷诺数相差近三个量级，有必要采用合理的手段模拟冷却塔表面雷诺数效应。试验通过采用不同的外表面粗糙度和风速来模拟雷诺数效应。根据冷却塔的设计规范，当塔筒外表面设置子午向肋条时，应根据塔筒外表面的粗糙度系数应用相应的风压分布系数（尼曼曲线）。根据肋高hR和冷却塔1/3高度处的肋间距aR确定选择K1.0曲线。为了补偿雷诺数效应，将总共36条子午向绊线或纸带均匀地粘贴在冷却塔模型的外表面上。试验风速设定为6~12m/s，步长为2m/s。

      图8显示了不同试验风速下对应1 mm×1 mm绊线的塔筒外表面风压系数的分布。可以看出在不同风速下均可以较好地模拟雷诺数效应，当风速为12m/s时，平均风压系数与K1.0曲线最匹配。然而，结合脉动风压的分布特征，较低的试验风速下对应的脉动风压系数较大，从设计安全性角度考虑，不能单一地考虑平均分压分布曲线的拟合度，需要综合考虑脉动风压分布曲线，故试验最终选择1mm×1mm绊线在6m/s的风速下进行。

      本文进一步比较了表面粗糙度参数hR/D对塔筒环向脉动动风压系数的影响，如图9所示，其中hR是肋条的高度，D为冷却塔喉部的直径。结果表明，本文中等粗糙度参数对应的试验结果总体上介于无肋状态和较大粗糙度参数状态之间，验证了塔筒外表面肋条可以有效减小脉动风压系数，特别是在60° <θ<120°的范围。此外，在风洞试验中测得的无肋曲线的110°附近的峰值点主要是由于特征湍流的影响，该特征湍流出现在分离点（约120°）附近；而与无肋冷却塔足尺实测结果相比，风洞中无肋冷却塔模型测得的脉动风压系数峰值特别大，这可能是由于雷诺数效应所致。另外，冷却塔内表面的风压系数呈现负值，并且沿子午线和环向分布相对均匀，平均值为-0.433，rms为0.058。<>

脉动位移响应

      选取钢塔顶部（E1），喉部（E3）和高度89.34m（E5）处角度分别为0°，70°，120°和180°的节点位移响应进行功率谱分析。从图12可以看出，钢塔顶部的共振模态主要集中在结构的一阶（或二阶）振动模态；以整体侧倾为特征的第三阶振动模态是迎风点（θ=0°）和背风点（θ=180°）的第二共振主导模态。此外，随着高度的降低，共振模态往更高阶发展。在喉咙高度，第一阶振动模态保持主导地位，第三阶模态的参与比塔顶更多；在钢塔的下部，共振响应主要由5阶和6阶模态决定。

      与Ke等人的研究结果比较，发现钢冷却塔的主导共振模态特性与类似规模的RC冷却塔有较大不同。对于215m高的RC冷却塔的风动力响应，在湍流场与钢塔一致的条件下，包含高阶模态在内的多个模态主导了共振响应，而钢塔的主导共振模态数量相对较少，且集中在低阶模态。另外，整体的侧倾模式对钢冷却塔共振响应的贡献要大于对RC冷却塔的响应，这意味着与RC冷却塔相比，钢塔的倾覆风险更高。

      进一步研究钢塔脉动位移响应中的背景分量和共振分量占比。利用ANSYS的瞬态动力分析，通过关闭瞬态效应开关，可获得背景响应时程，通过从总响应时程中减去背景响应时程获得共振响应分量。随后，总的脉动响应方差σ2可表示为：

其中σb和σr分别为背景响应和共振响应的标准差，ρb,r为背景和共振响应之间的相关系数，将2ρb,rσbσr称为交叉项。图13所示为典型高度和典型角度上的节点背景响应分量占比。可以看出，迎风面的背景分量占比高于背风面，这可能是由于分布在迎风面上的脉动风载荷远大于背风面。此外，迎风区、最大负压区和涡旋脱落区域的背景分量占比随高度的变化规律较为一致，并均在塔顶达到最小值。对于尾流区域，最小背景分量占比出现在喉部附近。

      将钢塔脉动响应的能量分布特征与215m高的RC冷却塔进行比较，表2列出了两者典型节点处不同响应分量的响应值和相对总响应的方差占比。表中钢塔和RC冷却塔的脉动响应值差异较大，这可能部分归因于不同的计算风速；而通过比较两组冷却塔不同响应分量的方差比，发现RC冷却塔的脉动响应由共振响应主导，而钢塔的背景分量占比显着增加，这 主要归因于钢结构冷却塔相对较高的固有频率。

      位移风振系数作为等效风荷载计算的其中一种方法，在冷却塔的等效风荷载研究中已有所应用。位移风振系数定义为最大位移响应和平均位移响应之比：

式中，βi为节点i的风振系数，g为峰值因子，取为3.5，rmi和σri分别是节点i径向位移的平均值和标准差。位移风振系数分布曲线如图14所示。

      风振系数随着节点而变化，在迎风区（0°-40°）和侧风区（80°-140°），风振系数通常小于2.0，而在最大负压区（50°-70°）和尾流区（150°-180°），由于平均径向位移小，因此风振系数异常大。极大的风振系数源于其定义，当平均位移为零时，风振系数子达到无穷大，这在工程设计中是不合理和不可接受的。关于这个问题，一些研究采用的处理方法是在分析过程中剔除平均位移小于自定义阈值的节点，而在本研究中，则通过将风振系数设置阈值4.0，基于该方法的风振系数通常会大于前一种方法，因此，可以认为是更为保守的方法。

      基于修正后的风振系数分布特征，将它们按圆周角和高度进行分区取平均，并将其与国内规范确定的B类地形中高度小于190m的冷却塔风振系数值以及VGB规范指定的相应值进行比较，如表3所示。发现除了迎风区域和侧区，其他区域风振系数可能被低估了。将钢塔风振系数结果与215m高RC冷却塔的结果进行了比较，发现RC冷却塔的最大风振系数出现在喉部周围，而对于本文钢塔的分布趋势不同。

阻尼参数分析

      为了研究阻尼参数对钢结构冷却塔风致效应的影响，进行了四种阻尼比条件下的瞬态动力分析：0.5％，1.0％，1.5％和2％。图15所示为塔顶及0°子午线上的风振系数分布规律。可以看出：（1）风振系数与结构阻尼比呈非线性关系，随着阻尼比的增加，风振系数减小，且对阻尼比的敏感性降低。（2）随着圆周角的增加，阻尼比对风振系数的影响总体上增大，特别是在径向位移较小、共振分量占主导的背风区域。共振分量的比例将显着影响风振系数对结构阻尼的敏感性。

      此外，还比较了钢结构冷却塔和215m高RC冷却塔的风振系数对结构阻尼的敏感性。以几个典型节点的结果为例，如表4所示。结果表明，钢塔的结构阻尼对风振系数的影响通常比RC冷却塔弱，主要是由于钢塔的背景分量占比更大。

（1）钢结构冷却塔的固有振动频率大于类似规模的RC冷却塔。尽管钢塔的刚度较弱，但其质量仅约为混凝土塔的十分之一。通常，钢塔振型的谐波数小于RC塔，且钢塔呈现出更为稀疏的振型分布。以整体侧倾为特征的钢塔低阶振动模态没有出现在RC塔中，这表明钢塔具有更高的倾覆风险。

（2）钢塔的平均位移在塔顶达到最大值，而对于RC冷却塔，由于塔顶刚性环的加劲作用，最大位移通常发生在喉部。

（3）钢塔的共振响应主要受低阶模态控制，而RC冷却塔则由含高阶模态的多阶振动模态共同主导。

（4）钢塔迎风区的脉动响应主要由背景响应主导，而背风侧通常由共振响应主导；与RC冷却塔相比，钢塔的共振响应占比显着降低。

（5）钢塔的周向平均风振系数大于国内规范和VGB规范规定的值。

（6）结构阻尼对钢塔风振系数的影响通常弱于RC冷却塔，这主要是由于钢塔的背景响应占比相对较大。

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