1.本发明涉及冷却塔塔体体型设计技术领域，特别是涉及一种单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法及冷却塔。
背景技术：2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.如图1-2所示为传统的单层网壳钢结构冷却塔，外形曲线为双曲线型，由外层三角网格的单层网壳和内侧设置的加强环构成；这是由于单层网壳钢结构冷却塔主体结构的平面外刚度较低，目前，钢结构冷却塔通常在壳体上布置加强环来增强结构刚度。虽然，该种方式能够显著提升壳体的平面外刚度，提升钢结构冷却塔的稳定承载力。
4.但是，由于加强环较大程度地参与结构承受的风荷载，为满足加强环刚度要求，需要较大截面的构件，随着冷却塔规模的增大，加强环构件截面越来越大，那么所需加强环的数量也越来越多，且结构施工复杂程度较高。
技术实现要素：5.为了解决上述问题，本发明提出了一种单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法及冷却塔，在原有塔体体型上进行改变，设计折线型塔体体型，提高壳体平面外刚度，降低加强环部分的用钢量。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.第一方面，本发明提供一种单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法，包括：
8.根据双曲线塔体体型确定冷却塔各层的定位标高和定位直径；
9.塔顶的定位直径不变，在塔顶以下隔层调整定位直径，调整定位直径增加设定长度，以形成折线型塔体体型。
10.作为可选择的实施方式，根据定位直径调整后的塔体体型划分冷却塔的外立面网格，形成折线型塔体体型。
11.作为可选择的实施方式，冷却塔各层的定位标高不变。
12.作为可选择的实施方式，在塔顶以下隔层调整定位直径时，定位直径的长度整体增加2d。
13.作为可选择的实施方式，d的取值与外弦杆件的倾角相关。
14.作为可选择的实施方式，α＝tan(d/h)；
15.其中，h为冷却塔子午向的分段高度；α为外弦杆件的倾角。
16.作为可选择的实施方式，d的取值与结构用钢量、承载能力和加强环数量相关。
17.作为可选择的实施方式，根据传统单层网壳钢结构冷却塔双曲线塔体的设计方法，确定钢结构冷却塔各层的定位标高及定位直径。
18.作为可选择的实施方式，所述设计方法针对单层正交斜撑网壳体系。
19.第二方面，本发明提供一种单层网壳钢结构冷却塔，包括：塔体主体结构，所述塔体主体结构采用折线型塔体体型；所述折线型塔体体型采用第一方面所述的设计方法进行设计。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
21.目前，单层网壳钢结构冷却塔的主体结构平面外刚度较低，通过加设加强环的方式，会随着冷却塔规模的增大，所需加强环的数量也会越多。所以本发明提出一种单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法，提出针对单层网壳钢结构冷却塔的折线型塔体体型，提升主体结构本身的平面外刚度，减少加强环的数量，降低加强环部分的用钢量。
22.本发明为了提升钢结构冷却塔壳体平面外刚度，从而降低加强环构件截面较大及布置数量较多的问题；通过改善塔体体型提升结构的平面外刚度，降低加强环的布置数量，且在原有体型上进行改变，不影响冷却塔的热力性能，降低结构施工复杂程度。
23.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
24.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
25.图1为传统体型冷却塔子午向定位示意图；
26.图2为单层矩形网壳传统体型冷却塔示意图；
27.图3为本发明实施例1提供的折线型塔体体型冷却塔的子午向定位示意图；
28.图4为本发明实施例1提供的定位直径增加示意图；
29.图5为本发明实施例1提供的定位直径计算示意图；
30.图6为本发明实施例1提供的算例1的塔型示意图；
31.图7为本发明实施例1提供的算例2的塔型示意图；
32.图8为本发明实施例1提供的算例3的塔型示意图；
33.图9为本发明实施例1提供的偏移距离与总用钢量变化关系示意图；
34.图10(a)-图10(c)为本发明实施例1提供的算例1-3中荷载与位移全过程曲线示意图；
35.图11为本发明实施例2提供的折线型塔体体型的单层网壳钢结构冷却塔示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
37.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
38.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设
备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
39.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
40.实施例1
41.本实施例提出一种单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法，包括：
42.根据双曲线塔体体型确定冷却塔各层的定位标高和定位直径；
43.塔顶的定位直径不变，在塔顶以下隔层调整定位直径，调整定位直径增加设定长度，以形成折线型塔体体型。如图3所示。
44.在本实施例中，该设计方法针对单层正交斜撑网壳体系，根据定位直径调整后的塔体体型划分钢结构冷却塔的外立面网格，形成折线型塔体体型，从而增加壳体的平面外刚度，以减少加强环的数量，降低加强环部分的用钢量。
45.在本实施例中，根据传统单层网壳钢结构冷却塔双曲线塔体的设计方法，确定钢结构冷却塔各层的定位标高及定位直径，在传统冷却塔的基础上，调整定位直径，以改变塔型。
46.在本实施例中，冷却塔各层的定位标高不变，改变的是定位直径，且并非每层定位直径都进行调整，只在塔顶以下隔层调整定位直径，以形成折线型塔体体型。
47.在本实施例中，如图4所示，塔顶的定位直径不变，在塔顶以下隔层调整定位直径时，定位直径的长度整体增加2d，那么在塔体的一侧的长度增加d；
48.作为可选择的一种实施方式，d的取值与外弦杆件的倾角有关，如图5所示，具体为：α＝tan(d/h)；
49.其中，h为冷却塔子午向的分段高度；α为外弦杆件的倾角。
50.作为可选择的一种实施方式，d的取值需考虑结构用钢量、承载能力、加强环数量等。
51.本实施例选取了不同塔型、不同加强环布置的3个钢结构冷却塔进行了分析，研究折线塔型偏移距离d的取值。
52.算例1：
53.如图6所示，塔型参数包括：塔型：圆柱—截锥型；钢材型号：q355；塔高：160m；塔高/塔底直径：1.25；喉部面积/壳底面积：0.5；喉部高度/塔高：0.4；基本杆长：5m；加强环位置：01.05.09.13.19.25。
54.算例2：
55.如图7所示，塔型参数包括：塔型：圆柱—截锥型；钢材型号：q355；塔高：160m；塔高/塔底直径：1.25；喉部面积/壳底面积：0.5；喉部高度/塔高：0.4；基本杆长：5m；加强环位置：01.07.13.19.25。
56.算例3：
57.如图8所示，塔型参数包括：塔型：双曲线型；钢材型号：q355；塔高：160m；塔高/塔底直径：1.25；喉部面积/壳底面积：0.5；喉部高度/塔高：0.75；基本杆长：5m；加强环位置：01.05.09.15.21。
58.网壳结构体系为正交斜撑型单层网壳体系；
59.荷载及荷载组合：考虑“恒d+风w+温t”的荷载组合形式设计杆件截面；
60.其中，恒荷载d包括杆件自重及围护结构自重；其中，围护结构自重由网格附属面积(m2)及围护结构单位面积质量(kg/m2)计算；围护结构单位面积质量取6325kg/m2。
61.风荷载w：基本风压取0.456kpa。
62.温度作用t以合拢温度为基准，考虑最高温度及最低温度计算结构的整体温度作用；
63.其中，合拢温度：15℃；最高温度：60℃，温升tr＝45℃；最低温度：-40℃，温降td＝55℃。
64.按“满应力设计方法”设计杆件截面，荷载组合如表1所示；
65.表1承载能力极限状态荷载组合
[0066] γdγwψwγ
tr
ψ
tr
γ
td
ψ
td
11.01.50021.31.50031.01.51.0
×
0.6041.01.501.0
×
0.651.31.51.0
×
0.6061.31.501.0
×
0.671.01.5
×
0.61.0081.01.5
×
0.601.091.31.5
×
0.61.00101.31.5
×
0.601.0
[0067]
算例结果：
[0068]
表2给出了3个算例在不同偏移距离d下的用钢量情况，可以看出：
[0069]
(1)当偏移距离d＝0.1m～0.2m时，折线塔型冷却塔的总用钢量较正常冷却塔低；
[0070]
(2)当偏移距离d＝0.4m～0.5m时，折线塔型冷却塔的总用钢量较正常冷却塔高(用钢量差值＞2％以内)；
[0071]
(3)当偏移距离d＝0.3m时，折线塔型冷却塔的总用钢量较正常冷却塔高(用钢量差值＜2％)；
[0072]
结合图9可以发现，偏移距离越大，结构用钢量越大。此外，当偏移距离d》0.1m时，折线塔型冷却塔壳体用钢量占比较正常冷却塔有所提升，加强环用钢量占比相应减小，符合增大壳体平面外刚度的设计预期。
[0073]
表2算例用钢量(t)
[0074]
[0075][0076]
对所有算例开展了考虑双重非线性的全过程分析，材料非线性以钢材理想弹塑性本构模型考虑；几何非线性选采用特征缺陷模态法，所有结构选择相似模态作为初始缺陷形态，以塔高的1/300作为初始缺陷大小。
[0077]
考虑到偏移距离d≤0.3m时，折线冷却塔的用钢量与正常冷却塔相当(用钢量差值在2％以内)，仅开展了d≤0.3m冷却塔的全过程分析；表3给出了算例的荷载系数(注：荷载系数越大，结构承载能力越大，表示结构越优)，图10(a)-图10(c)给出了算例的荷载—位移全过程曲线。
[0078]
可以发现，对于算例2及算例3，当偏移距离d＝0.2m时，折线冷却塔的荷载系数与正常冷却塔相差不大；当偏移距离d＝0.3m时，折线冷却塔的荷载系数超过正常冷却塔；而对于算例1，在d＝0.3m时，折线冷却塔的荷载系数与正常冷却塔相当。
[0079]
表3算例荷载系数
[0080] 算例1算例2算例3d＝0m1.43251.22631.5081d＝0.1m1.38581.18301.4313d＝0.2m1.40171.21451.5171d＝0.3m1.42861.24581.5407
[0081]
观察图10(a)-图10(c)中曲线的初始斜率，可以发现当偏移距离d＝0.2m～0.3m时，折线冷却塔的斜率不低于正常冷却塔，表明折线冷却塔壳体平面外刚度较正常冷却塔优。
[0082]
综合来看，偏移距离d＝0.2m～0.3m的折线冷却塔与正常冷却塔相比具有较小或相当的用钢量，且荷载系数相当或大于正常冷却塔；建议的偏移距离取值为0.2m～0.3m。
[0083]
目前，单层网壳钢结构冷却塔的主体结构平面外刚度较低，通过加设加强环的方式，会随着冷却塔规模的增大，所需加强环的数量也会越多，所以本实施例提出了针对单层网壳钢结构冷却塔的折线型塔体体型，提升主体结构本身的平面外刚度，减少加强环的数
量，降低加强环部分的用钢量。
[0084]
实施例2
[0085]
如图11所示，本实施例提出一种单层网壳钢结构冷却塔，包括：塔体主体结构，所述塔体主体结构采用折线型塔体体型；所述折线型塔体体型采用实施例1所述的设计方法进行设计。
[0086]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
技术特征：1.单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法，其特征在于，包括：根据双曲线塔体体型确定冷却塔各层的定位标高和定位直径；塔顶的定位直径不变，在塔顶以下隔层调整定位直径，调整定位直径增加设定长度，以形成折线型塔体体型。2.如权利要求1所述的单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法，其特征在于，根据定位直径调整后的塔体体型划分冷却塔的外立面网格，形成折线型塔体体型。3.如权利要求1所述的单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法，其特征在于，冷却塔各层的定位标高不变。4.如权利要求1所述的单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法，其特征在于，在塔顶以下隔层调整定位直径时，定位直径的长度整体增加2d。5.如权利要求4所述的单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法，其特征在于，d的取值与外弦杆件的倾角相关。6.如权利要求5所述的单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法，其特征在于，α＝tan(d/h)；其中，h为冷却塔子午向的分段高度；α为外弦杆件的倾角。7.如权利要求4所述的单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法，其特征在于，d的取值与结构用钢量、承载能力和加强环数量相关。8.如权利要求1所述的单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法，其特征在于，根据传统单层网壳钢结构冷却塔双曲线塔体的设计方法，确定钢结构冷却塔各层的定位标高及定位直径。9.如权利要求1所述的单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法，其特征在于，所述设计方法针对单层正交斜撑网壳体系。10.单层网壳钢结构冷却塔，其特征在于，包括：塔体主体结构，所述塔体主体结构采用折线型塔体体型；所述折线型塔体体型采用权利要求1-9任一项所述的设计方法进行设计。
技术总结本发明公开一种单层网壳钢结构冷却塔塔体体型的设计方法及冷却塔，包括：根据双曲线塔体体型确定冷却塔各层的定位标高和定位直径；塔顶的定位直径不变，在塔顶以下隔层调整定位直径，调整定位直径增加设定长度，以形成折线型塔体体型。在原有塔体体型上进行改变，设计折线型塔体体型，提高壳体平面外刚度，降低加强环部分的用钢量。低加强环部分的用钢量。低加强环部分的用钢量。
技术研发人员：张永飞 孙文 王旭峰 徐俊祥 李平 陈奎玉 周芳 公铭 陈德文 张平 张磊 赵丹丹 韩超 郝荣荣 岳潇 赵丽 高志康 杨艳
受保护的技术使用者：山东电力工程咨询院有限公司
技术研发日：2022.07.14
技术公布日：2022/11/1
