一種基于現場實測大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法與流程

本發明屬于冷卻塔技術領域，具體地涉及一種基于現場實測大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法。

背景技術：

近年來，隨著發電機組容量的增加和電力行業“上大壓小”項目的實施，冷卻塔淋水面積和高度也隨之增加。在這一期間，涌現出一批超規范(190m)高度限制的大型冷卻塔工程，現今在建的有山西潞安長子高河電廠間冷塔(220m)和彭澤核電濕冷塔(215m)。

超大型冷卻塔主體結構是典型的高聳、薄壁殼體結構，具有柔度大、自振頻率低的特點，阻尼比作為耗散冷卻塔結構振動能量的主要動力特性之一備受專家學者的關注。

在超大型冷卻塔的現場測試中，阻尼比的確定取值未有定論，在后續結構的抗風抗震評估中只能給出阻尼比的取值范圍，這一重大的缺陷直接影響到結構風振與地震響應分析的準確性和可靠性。

大型冷卻塔其結構自振頻率分布密集，模態耦合性強，其振型多以塔筒的局部振動為主，低階振型的質量參與系數較低，且現場實測中獲得的模態識別結果只能較為精確的給出低階模態參數(頻率、阻尼比及振型)識別結果。

國內外鮮有學者針對超大型冷卻塔確定阻尼比進行深入研究，現行動力分析仍采用《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)中混凝土結構的阻尼比5％，該數值不能很好地體現大型冷卻塔結構自身的阻尼特性，其計算結果難以真實反映結構在風和地震作用下的動態響應。

因此，有必要提供一種可以為冷卻塔整體結構的抗風抗震影響評估與安全性評價提供準確有效的阻尼比取值的基于現場實測大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種可以為冷卻塔整體結構的抗風抗震影響評估與安全性評價提供準確有效的阻尼比取值的基于現場實測大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法。

本發明的技術方案如下：一種基于現場實測大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法，包括如下步驟：

a、建立大型冷卻塔的有限元模型；

b、針對所述有限元模型進行動力特性分析；

c、提取各階振型的質量參與系數比值；

d、進行大型冷卻塔現場實測并通過模態分析獲得結構阻尼比；

e、考慮各階阻尼比及其對應階的振型質量參與系數，計算得到各階模態等效阻尼比；

f、整合分析獲得大型冷卻塔整體結構的綜合等效阻尼比。

優選地，在步驟a中，采用離散結構的有限單元方法建立大型冷卻塔精細化有限元模型，塔筒及頂部剛性環離散為空間殼單元，塔筒下部環基及支柱采用空間梁單元模擬，每個環基下部采用空間彈簧單元模擬彈性地基，采用三個力彈簧單元和三個力矩彈簧單元分別模擬樁基沿豎向、環向、徑向、繞豎向、繞環向和繞徑向的作用，彈簧單元一端與環基剛性連接，另一端固結約束，建立冷卻塔整體有限元模型。

優選地，在步驟b中，采用Block Lanczos法求解結構模態參數，其特點是Lanczos算法中僅涉及到矩陣與向量的乘積，能夠充分利用矩陣的稀疏性，通過三項遞推公式產生正交矩陣，通過將原來對稱矩陣經正交相似變化約化成三對角矩陣，最后求解對稱的三對角矩陣的特征值從而得到結構的模態參數。

優選地，在步驟c中，根據步驟b分析得到的結構模態參數提取前N階低階振型質量參與系數，即各階振型的參與權重值m_i，假定前N階振型質量參與系數總和為m_sum，將提取得到的大型冷卻塔前N階的振型質量參與系數m_i轉化為m_i^*＝m_i/m_sum，由此獲得大型冷卻塔前N階各階等效振型質量參與系數m_i^*。

優選地，在步驟d中，通過現場實測測得塔筒振動加速度響應，并采用多種常規主流的時域、頻域和時頻域方法進行模態參數識別，從而識別出被測冷卻塔的前N階(N≤10)阻尼比數值。

優選地，所述步驟d具體包括如下步驟：

根據冷卻塔的低階典型模態得到塔筒振幅大的位置，并在塔筒振幅大的位置安裝傳感器，完成布設測點；

采用動態信號采集儀對布設測點進行多通道同步采集塔筒振動信號，并獲得典型測點信號的時域圖；

采用多種時域、頻域及時頻域方法對采集得到的所述典型測點信號的時域圖進行分析，并獲取大型冷卻塔的模態參數識別結果。

優選地，在步驟e中，將現場測試分析所得的各階阻尼比ξ_i該對應階振型等效質量參與系數m_i^*而得到對應各階模態等效阻尼比ξ_i^*，定義各階模態等效阻尼比ξ_i^*為：

ξ_i^*＝m_i^*×ξ_i

其中m_i^*為各階振型的等效質量參與系數；ξ_i為現場測試分析所得的各階阻尼比；ξ_i^*為結構模態i階等效阻尼比。

優選地，在步驟f中，設定整體結構的綜合等效阻尼比ξ_syn，則綜合等效阻尼比ξ_syn為：

${\mathrm{\ξ}}_{syn}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_i^{*}$

其中，ξ_i^*為結構模態i階等效阻尼比；ξ_syn為結構的綜合等效阻尼比。

優選地，所述大型冷卻塔為鋼筋混凝土冷卻塔或鋼結構冷卻塔。

本發明的有益效果在于：所述基于現場實測大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法中阻尼比取值考慮了典型低階振型參與振動的有效質量對整體結構質量的貢獻率，給出了冷卻塔的唯一確定綜合等效阻尼比取值方法，克服了傳統阻尼比取值只能給出取值范圍或均值的局限，提高了大型冷卻塔阻尼比取值的精確度與可靠性，為冷卻塔整體結構的抗風、抗震動力分析提供準確有效的阻尼比取值。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的基于現場實測大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法的流程框圖；

圖2是圖1所示的基于現場實測大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法的流程示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

除非上下文另有特定清楚的描述，本發明中的元件和組件，數量既可以單個的形式存在，也可以多個的形式存在，本發明并不對此進行限定。本發明中的步驟雖然用標號進行了排列，但并不用于限定步驟的先后次序，除非明確說明了步驟的次序或者某步驟的執行需要其他步驟作為基礎，否則步驟的相對次序是可以調整的。可以理解，本文中所使用的術語“和/或”涉及且涵蓋相關聯的所列項目中的一者或一者以上的任何和所有可能的組合。

請同時參閱圖1和圖2，圖1是本發明實施例提供的基于現場實測大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法的流程框圖；圖2是圖1所示的基于現場實測大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法的流程示意圖。本發明實施例提供的基于現場實測大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法100中阻尼比取值考慮了典型低階振型參與振動的有效質量對整體結構質量的貢獻率，進而通過結構有限元分析得到的結構低階阻尼比與對應階的振型質量參與系數給出本發明實施例所提出的綜合等效阻尼比。優選地，所述大型冷卻塔為鋼筋混凝土冷卻塔或鋼結構冷卻塔。例如，所述大型冷卻塔的總高180m，喉部高度142.2m，喉部半徑54.8m，進風口高度28.6m，零米半徑80.0m，塔筒由54對X型支柱支撐，而且塔筒混凝土等級為C40，X型支柱混凝土等級為C45，環基混凝土等級為C35。

所述基于現場實測大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法100具體包括如下步驟：

S1、建立大型冷卻塔的有限元模型。

具體地，在步驟S1中，采用離散結構的有限單元方法建立大型冷卻塔精細化有限元模型，塔筒及頂部剛性環離散為空間殼單元，塔筒下部環基及支柱采用空間梁單元模擬。例如，在每個環基下部采用空間彈簧單元模擬彈性地基，采用三個力彈簧單元和三個力矩彈簧單元分別模擬樁基沿豎向、環向、徑向、繞豎向、繞環向和繞徑向的作用，彈簧單元一端與環基剛性連接，另一端固結約束，建立冷卻塔整體有限元模型。

S2、針對有限元模型進行動力特性分析。

具體地，在步驟S2中，采用Block Lanczos法求解結構模態參數，其特點是Lanczos算法中僅涉及到矩陣與向量的乘積，能夠充分利用矩陣的稀疏性，通過三項遞推公式產生正交矩陣，通過將原來對稱矩陣經正交相似變化約化成三對角矩陣，最后求解對稱的三對角矩陣的特征值從而得到結構的模態參數。

S3、提取各階振型的質量參與系數比值。

具體地，在步驟S3中，根據步驟S2分析得到的結構模態參數提取前N階低階振型質量參與系數，即各階振型的參與權重值m_i，假定前N階振型質量參與系數總和為m_sum，將提取得到的大型冷卻塔前N階的振型質量參與系數m_i轉化為m_i*＝m_i/m_sum，由此獲得大型冷卻塔前N階各階等效振型質量參與系數m_i*。

例如，在步驟S3中，采用Block Lanczos法求解結構模態參數，提取前10階模態參數與振型質量參與系數，且結果如表1所示。

表1

而且，需要說明的是，由于大型冷卻塔其結構自振頻率分布密集，各階模態耦合性強，振型多以塔筒的局部振動為主，各階振型的質量參與系數較低，若根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)中5.2.2條規定：“結構抗震計算中選取的振型個數一般取振型質量達到總質量90％所需的振型數”，對于大型冷卻塔結構而言振型數需要達到300階以上才能使振型質量參與系數達到90％以上，這是不可行的，因此本發明以現場測試識別得到的阻尼比階數(N)為基準，提取大型冷卻塔前N階的振型質量參與系數m_i。

S4、進行大型冷卻塔現場實測并通過模態分析獲得結構阻尼比。

具體地，在步驟S4中，首先通過現場實測測得塔筒振動加速度響應，隨后采用多種常規主流方法進行模態參數識別，可有效識別出被測冷卻塔的前N階(N≤10)阻尼比數值。所述常規主流方法包括ITD法、STD法和ARMA法等時域方法，峰值法等頻域方法，以及HHT法和小波變換等時頻域方法。在本實施例中，通過現場實測測得塔筒振動加速度響應，并采用多種常規主流的時域、頻域和時頻域方法進行模態參數識別，從而識別出被測冷卻塔的前N階(N≤10)阻尼比數值。

例如，在本實施例中，通過采用多種時域(ITD法、STD法、ARMA法)、頻域(峰值法)及時頻域(HHT法和小波變換)方法分析得到的大型冷卻塔低階阻尼比(ξ_i)的識別結果如表2所示：

表2

而且，所述步驟S4具體包括如下步驟：

根據冷卻塔的低階典型模態得到塔筒振幅大的位置，并在塔筒振幅大的位置安裝傳感器，完成布設測點；

采用動態信號采集儀對布設測點進行多通道同步采集塔筒振動信號，并獲得典型測點信號的時域圖；

采用多種時域、頻域及時頻域方法對采集得到的所述典型測點信號的時域圖進行分析，并獲取大型冷卻塔的模態參數識別結果。

S5、考慮各階阻尼比及其對應階的振型質量參與系數，計算得到各階模態等效阻尼比。

具體地，在步驟S5中，將現場測試分析所得的各階阻尼比ξ_i該對應階振型等效質量參與系數m_i^*而得到對應各階模態等效阻尼比ξ_i^*，定義各階模態等效阻尼比ξ_i^*為：

ξ_i^*＝m_i^*×ξ_i

其中m_i^*為各階振型的等效質量參與系數；ξ_i為現場測試分析所得的各階阻尼比；ξ_i^*為結構模態i階等效阻尼比。

S6、整合分析獲得大型冷卻塔整體結構的綜合等效阻尼比。

在步驟S6中，設定整體結構的綜合等效阻尼比ξ_syn，則綜合等效阻尼比ξ_syn為：

${\mathrm{\ξ}}_{syn}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_i^{*}$

其中，ξ_i^*為結構模態i階等效阻尼比；ξ_syn為結構的綜合等效阻尼比。

相較于現有技術，本發明提供的基于現場實測大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法100中阻尼比取值考慮了典型低階振型參與振動的有效質量對整體結構質量的貢獻率，給出了冷卻塔的唯一確定綜合等效阻尼比取值方法，克服了傳統阻尼比取值只能給出取值范圍或均值的局限，提高了大型冷卻塔阻尼比取值的精確度與可靠性，為冷卻塔整體結構的抗風、抗震動力分析提供準確有效的阻尼比取值。

對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。