广州大学土木工程学院 广东广州 510006
摘要：随着我国大型冷却塔广泛应用于火力发电厂和核电站等工业领域，与之配套的冷却塔体型随之增大，在高烈度地区难以满足抗震设防的需要，本文简要分析了大型冷却塔结构采用隔减震技术的可行性。
关键词：大型冷却塔；隔减震；可行性分析
一．前言
我国是地震高发的国家，对于高烈度地区，大型冷却塔的抗震性能要提高重视。随着人类对能源的需求不断提高，部分火力发电厂和核电厂的冷却塔已经不能满足165m的规格极限。大型冷却塔结构一旦在地震中遭到破坏，必将造成巨大的损失。目前国内外冷却塔的抗风研究比较多，对超大型冷却塔的抗震设计方面的资料较少，尤其是隔震设计和消能减震设计非常少。针对目前的状况，本文简要分析假设采取隔减震技术，是否能够提高冷却塔结构的抗震性能。采用基础隔震或者消能减震的技术能否减少冷却塔斜支柱和上部结构的地震作用，从而保证冷却塔在遭遇大震的安全，避免造成重大的经济损失。
二．冷却塔的分类
冷却塔按分类方式的不同可以分为不同的类型，以下介绍一些常用的分类类型。
冷却塔按通风方式分有自然通风冷却塔、机械通风冷却塔、混合通风冷却塔。自然通风冷却又称为双曲线型塔，其优点：冷却效果稳定、冷却面积大、原理简单、易维护、运行费用低。缺点：冷却效果受风力、风向、空气湿度、温度的影响较大，占地面积和体积庞大，混凝土和钢材耗用量多；机械通风冷却塔优点是：结构紧凑、体积小，重量轻，安装方便，不受外界风力影响，冷却效果可靠，冷却水吹散损失少。但存在耗电较多，维修较复杂及冷却效果受塔顶排出湿热空气流影响等缺点。因此在发电厂和核电站的工业领域中采用自然通风冷却塔的较多。混合通风冷却塔包含自然通风冷却塔和机械通风冷却塔的特点[1]。
三．大型自然通风冷却塔构造
本文所介绍的冷却塔即为自然通风冷却塔，也称双曲线型冷却塔。大型自然通风冷却塔一般是钢筋混凝土结构，由基础、支柱、塔身、淋水装置、集水池等组成。双曲线型冷却塔具有振动小、频率高、动力特性和受力性能较好、施工方便等优点，目前被大多数火力发电厂和核电厂采用。双曲线型冷却塔属于旋转壳体的建筑物，塔身为钢筋混凝土旋转薄壳空间结构，冷却塔壳体厚度随着高度变化而变化，分别由塔顶刚性环、筒壁和下环梁三部分组成。冷却塔塔身高度高，体型大，属于大型高耸构筑物，壳体的最小厚度很薄，若将其等比例缩小到鸡蛋的直径，则冷却塔的厚度比鸡蛋壳还薄，大约为鸡蛋壳的1/5。斜支柱一般是双向倾斜的结构，可分为“I”字型、“人”字型、“V”字型、“X”字型支柱，截面形式有圆形、矩形、八边形等。基础主要承受斜支柱传来的全部荷载，分为环形基础和独立基础，所以基础承受比较大的荷载，当地基产生不均匀沉降时，对结构的影响大[2]。
四．大型自然通风冷却塔事故分析
目前新建的大部分冷却塔的高度都大于150m，如果发生倒塌的现象，将会产生巨大的经济损失。冷却塔在历史上不同的时期出现过不同类型的工程事故，其主要原因有以下两个因素：
（1）自然因素。冷却塔由于结构庞大，受到自重、风荷载、地震荷载、温差、化学腐蚀和地基的不均匀沉降的影响，其中风荷载和地震荷载的影响最大。
（2）设计缺陷和施工问题。对冷却塔的体型设计不合理，建筑材料和施工方案使用不当，工程质量不符合要求。
1965年英国渡桥电厂遭遇50年一遇的大风导致三座113m高的冷却塔倒塌，另外五座冷却塔均发生不同程度的裂缝，损失非常严重；1976年唐山发生7.8级大地震，各种建筑破坏严重，冷却塔也难以避免，开滦煤矿自备电厂的钢筋混凝土横流塔柱子及横梁端产生了裂缝。所以，针对超大型冷却塔的抗风、抗震性能需要进行专门研究。
五．大型自然通风冷却塔采用基础隔震技术可行性分析
基础隔震是通过在建筑物的基础和上部结构直接设置隔震装置、阻尼装置、抗风装置、限位装置、抗拉装置等组成的隔震层，使结构的自振周期延长，隔离地震能量向上部结构传递，并耗散地震输入的能量，从而降低上部结构的地震响应。隔震支座的支座类型主要包括天然橡胶支座（LNR）、铅芯橡胶支座（LRB）、高阻尼橡胶支座（HDR）、弹性滑板支座（ESB）、摩擦摆支座（FPS）等。
冷却塔结构的自重轻，斜支柱的刚度比较大，冷却塔结构的自振周期并不长。通过查阅相关文献，180米～235米的大型冷却塔结构在刚性地基的有限元模型中的前十阶自振周期大约在0.8s～1.6s。在加入下部环基¬地基的一体化模型的前十阶自振周期主要在1s～2s，整体结构的自振周期有所延长。通过合理的布置隔震支座，即能延长结构的自振周期，地震发生时，从而远离场地的卓越周期，并耗散地震输入冷却塔的能量。但是，加入隔震支座后，隔震支座的水平刚度很低，当遭遇风荷载时，一定要考虑结构抵抗风荷载的能力，才能保证结构的安全性。
六．大型自然通风冷却塔采用消能减震技术可行性分析
消能减震是指在建筑物的抗侧力结构中（如支撑、剪力墙、节点、连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等）设置消能部件（由阻尼器、连接支撑等组成），通过阻尼器局部变形提供附加阻尼，吸收与消耗地震能量。
采用消能减震技术时，输入到建筑物的地震能量一部分被阻尼器所消耗。其余部分仍转换为结构的动能和变形能。因此，也可以达到降低结构地震反应的目的。阻尼器有黏弹性阻尼器、黏滞阻尼器、金属屈服型阻尼器、屈曲约束耗能支撑、摩擦消能阻尼器、电流变阻尼器、磁流变阻尼器等。
当大型冷却塔采用消能减震技术时，不会减小结构的水平刚度，遭遇风荷载时，也不会影响结构的安全。冷却塔上部是一个旋转的壳体结构，在壳体上加入消能减震装置，从施工上来看，非常的困难，并且很难保证结构的整体性。冷却塔的下部是双向倾斜的斜支柱，斜支柱作为上部结构的承重构件，当遭遇地震时，不仅受到上部结构的自重，还承受较大的剪力，特别是在柱子与上部壳体连接处是薄弱点，所以可以考虑在每对斜支柱设置屈曲约束支撑或者黏滞阻尼器等消能减震装置。理论上设置消能减震装置还是可行的，具体效果还需要进一步分析得出。
七．结论
通过上述对大型冷却塔结构采取隔减震技术的可行性分析，通过合理布置隔震支座和消能减震装置还是可行的，但是保证提供高结构抗震性能的前提下，同时必须确保建筑在风荷载的作用下不会破坏。冷却塔抗震性能研究问题较为复杂，文章分析的结论还有一定的局限性，采用隔减震技术后对结构的影响还需要进一步研究。
参考文献：
[1] 赵振国.冷却塔[M].北京：中国水利水电出版社，1997.
[2] 江涛.大型双曲冷却塔的地震响应研究[D].南京理工大学，2015.