本發(fā)明屬于冷卻塔技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著發(fā)電機(jī)組容量的增加和電力行業(yè)“上大壓小”項(xiàng)目的實(shí)施，冷卻塔淋水面積和高度也隨之增加。在這一期間，涌現(xiàn)出一批超規(guī)范(190m)高度限制的大型冷卻塔工程，現(xiàn)今在建的有山西潞安長(zhǎng)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(jié)構(gòu)是典型的高聳、薄壁殼體結(jié)構(gòu)，具有柔度大、自振頻率低的特點(diǎn)，阻尼比作為耗散冷卻塔結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量的主要?jiǎng)恿μ匦灾粋涫軐＜覍W(xué)者的關(guān)注。

在超大型冷卻塔的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，阻尼比的確定取值未有定論，在后續(xù)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)抗震評(píng)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(jié)構(gòu)風(fēng)振與地震響應(yīng)分析的準(zhǔn)確性和可靠性。

大型冷卻塔其結(jié)構(gòu)自振頻率分布密集，模態(tài)耦合性強(qiáng)，其振型多以塔筒的局部振動(dòng)為主，低階振型的質(zhì)量參與系數(shù)較低，且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中獲得的模態(tài)識(shí)別結(jié)果只能較為精確的給出低階模態(tài)參數(shù)(頻率、阻尼比及振型)識(shí)別結(jié)果。

國(guó)內(nèi)外鮮有學(xué)者針對(duì)超大型冷卻塔確定阻尼比進(jìn)行深入研究，現(xiàn)行動(dòng)力分析仍采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)中混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比5％，該數(shù)值不能很好地體現(xiàn)大型冷卻塔結(jié)構(gòu)自身的阻尼特性，其計(jì)算結(jié)果難以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

因此，有必要提供一種可以為冷卻塔整體結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)抗震影響評(píng)估與安全性評(píng)價(jià)提供準(zhǔn)確有效的阻尼比取值的基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種可以為冷卻塔整體結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)抗震影響評(píng)估與安全性評(píng)價(jià)提供準(zhǔn)確有效的阻尼比取值的基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(duì)所述有限元模型進(jìn)行動(dòng)力特性分析；

c、提取各階振型的質(zhì)量參與系數(shù)比值；

d、進(jìn)行大型冷卻塔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)并通過模態(tài)分析獲得結(jié)構(gòu)阻尼比；

e、考慮各階阻尼比及其對(duì)應(yīng)階的振型質(zhì)量參與系數(shù)，計(jì)算得到各階模態(tài)等效阻尼比；

f、整合分析獲得大型冷卻塔整體結(jié)構(gòu)的綜合等效阻尼比。

優(yōu)選地，在步驟a中，采用離散結(jié)構(gòu)的有限單元方法建立大型冷卻塔精細(xì)化有限元模型，塔筒及頂部剛性環(huán)離散為空間殼單元，塔筒下部環(huán)基及支柱采用空間梁?jiǎn)卧M，每個(gè)環(huán)基下部采用空間彈簧單元模擬彈性地基，采用三個(gè)力彈簧單元和三個(gè)力矩彈簧單元分別模擬樁基沿豎向、環(huán)向、徑向、繞豎向、繞環(huán)向和繞徑向的作用，彈簧單元一端與環(huán)基剛性連接，另一端固結(jié)約束，建立冷卻塔整體有限元模型。

優(yōu)選地，在步驟b中，采用Block Lanczos法求解結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，其特點(diǎn)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(xiàng)遞推公式產(chǎn)生正交矩陣，通過將原來(lái)對(duì)稱矩陣經(jīng)正交相似變化約化成三對(duì)角矩陣，最后求解對(duì)稱的三對(duì)角矩陣的特征值從而得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

優(yōu)選地，在步驟c中，根據(jù)步驟b分析得到的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)提取前N階低階振型質(zhì)量參與系數(shù)，即各階振型的參與權(quán)重值m_i，假定前N階振型質(zhì)量參與系數(shù)總和為m_sum，將提取得到的大型冷卻塔前N階的振型質(zhì)量參與系數(shù)m_i轉(zhuǎn)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(zhì)量參與系數(shù)m_i^*。

優(yōu)選地，在步驟d中，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)測(cè)得塔筒振動(dòng)加速度響應(yīng)，并采用多種常規(guī)主流的時(shí)域、頻域和時(shí)頻域方法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，從而識(shí)別出被測(cè)冷卻塔的前N階(N≤10)阻尼比數(shù)值。

優(yōu)選地，所述步驟d具體包括如下步驟：

根據(jù)冷卻塔的低階典型模態(tài)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(shè)測(cè)點(diǎn)；

采用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀對(duì)布設(shè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多通道同步采集塔筒振動(dòng)信號(hào)，并獲得典型測(cè)點(diǎn)信號(hào)的時(shí)域圖；

采用多種時(shí)域、頻域及時(shí)頻域方法對(duì)采集得到的所述典型測(cè)點(diǎn)信號(hào)的時(shí)域圖進(jìn)行分析，并獲取大型冷卻塔的模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果。

優(yōu)選地，在步驟e中，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析所得的各階阻尼比ξ_i該對(duì)應(yīng)階振型等效質(zhì)量參與系數(shù)m_i^*而得到對(duì)應(yīng)各階模態(tài)等效阻尼比ξ_i^*，定義各階模態(tài)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(zhì)量參與系數(shù)；ξ_i為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析所得的各階阻尼比；ξ_i^*為結(jié)構(gòu)模態(tài)i階等效阻尼比。

優(yōu)選地，在步驟f中，設(shè)定整體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模態(tài)i階等效阻尼比；ξ_syn為結(jié)構(gòu)的綜合等效阻尼比。

優(yōu)選地，所述大型冷卻塔為鋼筋混凝土冷卻塔或鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔。

本發(fā)明的有益效果在于：所述基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(dòng)的有效質(zhì)量對(duì)整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的貢獻(xiàn)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(tǒng)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(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震動(dòng)力分析提供準(zhǔn)確有效的阻尼比取值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

除非上下文另有特定清楚的描述，本發(fā)明中的元件和組件，數(shù)量既可以單個(gè)的形式存在，也可以多個(gè)的形式存在，本發(fā)明并不對(duì)此進(jìn)行限定。本發(fā)明中的步驟雖然用標(biāo)號(hào)進(jìn)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(zhí)行需要其他步驟作為基礎(chǔ)，否則步驟的相對(duì)次序是可以調(diào)整的?？梢岳斫猓疚闹兴褂玫男g(shù)語(yǔ)“和/或”涉及且涵蓋相關(guān)聯(lián)的所列項(xiàng)目中的一者或一者以上的任何和所有可能的組合。

請(qǐng)同時(shí)參閱圖1和圖2，圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)大型冷卻塔綜合等效阻尼比取值方法的流程示意圖。本發(fā)明實(shí)施例提供的基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(dòng)的有效質(zhì)量對(duì)整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的貢獻(xiàn)率，進(jìn)而通過結(jié)構(gòu)有限元分析得到的結(jié)構(gòu)低階阻尼比與對(duì)應(yīng)階的振型質(zhì)量參與系數(shù)給出本發(fā)明實(shí)施例所提出的綜合等效阻尼比。優(yōu)選地，所述大型冷卻塔為鋼筋混凝土冷卻塔或鋼結(jié)構(gòu)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(jìn)風(fēng)口高度28.6m，零米半徑80.0m，塔筒由54對(duì)X型支柱支撐，而且塔筒混凝土等級(jí)為C40，X型支柱混凝土等級(jí)為C45，環(huán)基混凝土等級(jí)為C35。

所述基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(jié)構(gòu)的有限單元方法建立大型冷卻塔精細(xì)化有限元模型，塔筒及頂部剛性環(huán)離散為空間殼單元，塔筒下部環(huán)基及支柱采用空間梁?jiǎn)卧M。例如，在每個(gè)環(huán)基下部采用空間彈簧單元模擬彈性地基，采用三個(gè)力彈簧單元和三個(gè)力矩彈簧單元分別模擬樁基沿豎向、環(huán)向、徑向、繞豎向、繞環(huán)向和繞徑向的作用，彈簧單元一端與環(huán)基剛性連接，另一端固結(jié)約束，建立冷卻塔整體有限元模型。

S2、針對(duì)有限元模型進(jìn)行動(dòng)力特性分析。

具體地，在步驟S2中，采用Block Lanczos法求解結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，其特點(diǎn)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(xiàng)遞推公式產(chǎn)生正交矩陣，通過將原來(lái)對(duì)稱矩陣經(jīng)正交相似變化約化成三對(duì)角矩陣，最后求解對(duì)稱的三對(duì)角矩陣的特征值從而得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

S3、提取各階振型的質(zhì)量參與系數(shù)比值。

具體地，在步驟S3中，根據(jù)步驟S2分析得到的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)提取前N階低階振型質(zhì)量參與系數(shù)，即各階振型的參與權(quán)重值m_i，假定前N階振型質(zhì)量參與系數(shù)總和為m_sum，將提取得到的大型冷卻塔前N階的振型質(zhì)量參與系數(shù)m_i轉(zhuǎn)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(zhì)量參與系數(shù)m_i*。

例如，在步驟S3中，采用Block Lanczos法求解結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，提取前10階模態(tài)參數(shù)與振型質(zhì)量參與系數(shù)，且結(jié)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(jié)構(gòu)自振頻率分布密集，各階模態(tài)耦合性強(qiáng)，振型多以塔筒的局部振動(dòng)為主，各階振型的質(zhì)量參與系數(shù)較低，若根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)中5.2.2條規(guī)定：“結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算中選取的振型個(gè)數(shù)一般取振型質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量90％所需的振型數(shù)”，對(duì)于大型冷卻塔結(jié)構(gòu)而言振型數(shù)需要達(dá)到300階以上才能使振型質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)到90％以上，這是不可行的，因此本發(fā)明以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試識(shí)別得到的阻尼比階數(shù)(N)為基準(zhǔn)，提取大型冷卻塔前N階的振型質(zhì)量參與系數(shù)m_i。

S4、進(jìn)行大型冷卻塔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)并通過模態(tài)分析獲得結(jié)構(gòu)阻尼比。

具體地，在步驟S4中，首先通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)測(cè)得塔筒振動(dòng)加速度響應(yīng)，隨后采用多種常規(guī)主流方法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，可有效識(shí)別出被測(cè)冷卻塔的前N階(N≤10)阻尼比數(shù)值。所述常規(guī)主流方法包括ITD法、STD法和ARMA法等時(shí)域方法，峰值法等頻域方法，以及HHT法和小波變換等時(shí)頻域方法。在本實(shí)施例中，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)測(cè)得塔筒振動(dòng)加速度響應(yīng)，并采用多種常規(guī)主流的時(shí)域、頻域和時(shí)頻域方法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，從而識(shí)別出被測(cè)冷卻塔的前N階(N≤10)阻尼比數(shù)值。

例如，在本實(shí)施例中，通過采用多種時(shí)域(ITD法、STD法、ARMA法)、頻域(峰值法)及時(shí)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(shí)別結(jié)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(jù)冷卻塔的低階典型模態(tài)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(shè)測(cè)點(diǎn)；

采用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀對(duì)布設(shè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多通道同步采集塔筒振動(dòng)信號(hào)，并獲得典型測(cè)點(diǎn)信號(hào)的時(shí)域圖；

采用多種時(shí)域、頻域及時(shí)頻域方法對(duì)采集得到的所述典型測(cè)點(diǎn)信號(hào)的時(shí)域圖進(jìn)行分析，并獲取大型冷卻塔的模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果。

S5、考慮各階阻尼比及其對(duì)應(yīng)階的振型質(zhì)量參與系數(shù)，計(jì)算得到各階模態(tài)等效阻尼比。

具體地，在步驟S5中，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析所得的各階阻尼比ξ_i該對(duì)應(yīng)階振型等效質(zhì)量參與系數(shù)m_i^*而得到對(duì)應(yīng)各階模態(tài)等效阻尼比ξ_i^*，定義各階模態(tài)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(zhì)量參與系數(shù)；ξ_i為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析所得的各階阻尼比；ξ_i^*為結(jié)構(gòu)模態(tài)i階等效阻尼比。

S6、整合分析獲得大型冷卻塔整體結(jié)構(gòu)的綜合等效阻尼比。

在步驟S6中，設(shè)定整體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模態(tài)i階等效阻尼比；ξ_syn為結(jié)構(gòu)的綜合等效阻尼比。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(dòng)的有效質(zhì)量對(duì)整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的貢獻(xiàn)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(tǒng)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(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震動(dòng)力分析提供準(zhǔn)確有效的阻尼比取值。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。