一种由带支撑的三角形网格构成的钢结构冷却塔的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种由带支撑的三角形网格构成的钢结构冷却塔，其包括斜杆、水平杆、面内支撑、加强环桁架、吊杆和撑杆；冷却塔的塔体由一系列倒置的等腰三角形组成，构成若干层封闭的网格结构；每个等腰三角形内设置面内支撑，与等腰三角形共同组成模数单元；模数单元的底边为网格结构的水平杆；模数单元的腰为网格结构的斜杆；最底层模数单元的顶点固定于基础上，作为整个冷却塔的支座，其余各层模数单元由下至上逐层搭设，顶点刚接于下层对应模数单元的底边端点上；加强环桁架设置于塔体内侧，并通过吊杆或撑杆减小加强环桁架的挠度。本申请钢结构冷却塔能充分发挥构件在各方向的力学性能，构件和节点尺寸小，用钢量小，具有良好的经济技术指标。
【专利说明】
一种由带支撑的三角形网格构成的钢结构冷却塔
技术领域
[0001] 本发明涉及大型冷却塔结构的设计领域，具体涉及一种由带支撑的三角形网格构 成的钢结构冷却塔。
【背景技术】
[0002] 冷却塔是一种在电力、钢铁、石油、化工等工业领域广泛应用的冷却设施，它的主 要作用是为携带废热的冷却水与空气提供热交换的场所，使废热能迅速散入大气，从而保 证生产系统的正常运行。
[0003] 在以往的工程实践中，大型冷却塔以钢筋混凝土旋转薄壳结构为主，并以双曲线 为子午线。随着冷却塔建设规模的上升，钢结构成为大型冷却塔结构体系选型的新方向。同 钢筋混凝土结构相比，钢结构冷却塔具有自重轻、施工简便、工期短等优点，且结构体系布 置灵活，不必拘泥于单一的结构外形，这样不但可以通过结构体系优化得到优异的受力性 能和经济指标，还能为热工方面的性能优化创造条件。国内外部分科研、设计机构针对大型 钢结构冷却塔已经开展了一些工作，但工程实践与混凝土结构相比尚不多见。
[0004] 在已经建成的钢结构冷却塔中，较为常见的塔型由下部圆锥段和上部直筒段组 成，采用三角形网格形式，如图1。这种结构的构件既可以采用圆形或矩形截面的实腹式钢 管，也可采用格构式构件。但该结构体系不能充分发挥构件在各个方向的力学性能，节点尺 寸偏大，用钢量较高。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种由带支撑的三角形网格 构成的钢结构冷却塔，该钢结构冷却塔能充分发挥构件在各个方向的力学性能，构件和节 点尺寸小，用钢量小，具有良好的经济技术指标。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] -种由带支撑的三角形网格构成的钢结构冷却塔，所述冷却塔为单层网格结构， 所述单层网格结构包括斜杆、水平杆、面内支撑、加强环桁架、吊杆和撑杆;所述冷却塔的塔 体由一系列倒置的等腰三角形组成，构成若干层封闭的网格结构；每个等腰三角形内设置 面内支撑，与等腰三角形共同组成模数单元;模数单元的底边为所述水平杆;模数单元的腰 为所述斜杆;最底层模数单元的顶点固定于基础上，作为整个冷却塔的支座，其余各层模数 单元由下至上逐层搭设，顶点刚接于下层对应模数单元的底边端点上;所述加强环桁架设 置于塔体内侧，并通过所述吊杆或撑杆减小所述加强环桁架的挠度。
[0008] 进一步，所述面内支撑为三根支撑杆构成的一个三角形结构，所述三角形结构的 三个顶点分别连接于所述模数单元的三个边的中点处，形成带支撑的三角形网格结构。
[0009] 进一步，所述加强环桁架也由带支撑的等腰三角形组成，加强环桁架设置在所述 冷却塔的塔体内侧，加强环桁架的数量可根据需要设置;最上层的加强环桁架通过所述撑 杆与构成塔体的所述网格结构连接，其与各层加强环桁架均通过所述吊杆与构成塔体的所 述网格结构连接。
[0010] 进一步，所述模数单元和加强环桁架采用矩形钢管或工字型构件作为基本构件。
[0011] 进一步，所述网格结构的构件截面强轴方向垂直于塔身，所述加强环桁架的构件 截面强轴沿竖直方向。进一步，所述冷却塔的内表面或外表面设置有围护体系。
[0012] 进一步，所述围护体系为镀锌钢板或铝板制成的刚性围护体系，也可以采用膜材 制成的柔性围护体系。
[0013] 本发明具有以下有益技术效果：
[0014] 1、本发明的钢结构冷却塔能充分发挥构件在各个方向的力学性能，构件和节点尺 寸小，具有良好的经济技术指标。
[0015] 2、本发明以组成冷却塔结构主受力体系的等腰三角形以及从属于各三角形的面 内支撑为模数单元，可以实现标准化设计、工业化生产和装配化施工。
【附图说明】
[0016] 图1为现有技术中钢结构冷却塔的结构示意图；
[0017] 图2为本发明钢结构冷却塔立面图；
[0018] 图3为本发明钢结构冷却塔平面图；
[0019] 图4为本发明钢结构冷却塔轴测图；
[0020] 图5为本发明钢结构冷却塔的各组件的分体结构示意图；
[0021] 图6为冷却塔局部构成示意图；
[0022] 图7为基于模数单元进行装配化施工的示意图；
[0023]图8为带支撑三角形网格屈曲模态；
[0024]图9为无支撑三角形网格屈曲模态；
[0025]图10为三角形模数单元及屈曲模态；
[0026]图11为水平杆与斜杆内力比值与杆件计算长度系数的关系曲线；
[0027]图12为两斜杆内力比值与计算长度系数的关系曲线；
[0028] 其中，1为斜杆;2为水平杆;3为加强环桁架;4为吊杆;5为撑杆;6为面内支撑;7为 模数单元。
【具体实施方式】
[0029] 下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施 例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施 例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本 领域的普通技术人员。
[0030] 为了易于说明，在这里可以使用诸如"上"、"下""左""右"等空间相对术语，用于说 明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中 示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的 装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征"下"的元件将定位在其他元件或特征"上"。因 此，示例性术语"下"可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于 其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。
[0031]如图2-7所示，本申请提供了一种由带支撑的三角形网格构成的钢结构冷却塔，所 述冷却塔为单层网格结构，所述单层网格结构包括斜杆1、水平杆2、加强环桁架3、吊杆4和 撑杆5、面内支撑6;所述冷却塔的塔体由一系列倒置的等腰三角形组成，构成若干层封闭的 网格结构;每个等腰三角形内设置面内支撑6,与等腰三角形共同组成模数单元7;模数单元 7的底边为所述水平杆2;模数单元7的腰构成所述斜杆1;最底层模数单元7的顶点固定于基 础上，作为整个冷却塔的支座，其余模数单元7由下至上逐层搭设，刚接于下层对应模数单 元的底边端点上;所述加强环桁架3设置于塔体内侧，并通过所述吊杆4或撑杆5减小所述加 强环桁架的挠度。
[0032]模数单元内设置面内支撑6,所述面内支撑6为三根支撑杆构成的一个三角形支 撑，铰接于所述模数单元7三个边的中点处。面内支撑6的设置减小了主受力体系构件在塔 体或加强环桁架面内的计算长度。
[0033] 加强环桁架3也由带支撑的等腰三角形组成，加强环桁架3设置在所述冷却塔的塔 体内侧，加强环桁架3的数量可根据需要设置;最上层的加强环桁架3通过所述撑杆5与构成 塔体的所述网格结构连接，其与各层加强环桁架3均通过所述吊杆4与构成塔体的所述网格 结构连接。
[0034] 根据实际条件，本发明的冷却塔可采用镀锌钢板或铝板等刚性围护体系，也可采 用膜材等柔性围护体系。围护体系可依据需要安装于结构的外表面或内表面。如图8-12所 示，在三角形网格面内支撑的协调作用下，可以使三条边在面内屈曲时均形成两个半波，从 而使构件在三角形面内的计算长度减小为无支撑时的一半。
[0035] 当三角形各边构件轴力不同时，在刚接节点和支撑的协调作用下，各构件可同时 屈曲，此时压力较小构件可对压力较大构件提供支援，提高压力较大构件的稳定性。以下以 一个典型三角形模数单元为例，通过二阶内力分析位移法对上述支援作用进行证明。证明 过程采用如下假定：
[0036]①忽略周围构件对该三角形单元受力性能的影响，三角形顶点铰支固定；
[0037] ②两斜杆和水平杆为等比例加载，且同时发生屈曲；
[0038] ③面内支撑构件内力为零；
[0039]④三角形单元为无侧移屈曲，且屈曲时各杆中点不发生位移。
[0040]如图10所示，斜杆AB、AC和水平杆BC均被面内支撑等分为两段，每根杆件两个分段 的线刚度和内力相等，BP iAD= iBD，iBE= icE，iAF = icF，FAD = FBD，FBE = FcE，FAF = FcF。各杆件分段 的两端弯矩可分别表示为：
[0047] 式（1)-(6)中参数 sk、ck(k=AD，BD，AF，CF，BE，CE)表达式分别为：
[0048] 当杆件受压时，
[0053] 由此;可知 SAD = SBD，SAF = SCF，SBE = SCE，CAD = CBD，CAF = CCF，CBE = CCE 〇
[0054] A_F各点的平衡方程为：
[0056]令方程组(9)的系数行列式等于零，即：
[0058]对于线性齐次方程组(9)，系数行列式等于零意味着它存在非零解，对应的物理意 义为受力体系除当前位置外还存在其他平衡状态，即发生了屈曲。由于sk、ck均为取的函数， 且各杆件为等比例加载，因此给定三根构件的线刚度、长度和内力比值，即可利用式(10)求 得各杆件的屈曲内力，进而反算求得各自的计算长度。
[0059] 如图 11所示，以 iAD= iBD = iAF= icF = iBE= icE，1ab= 1ac= Ibc的情况为例，给出了两 斜杆内力相等且均为受压时，水平杆内力与斜杆内力的比值与各杆件计算长度系数的关 系。内力比值为正值代表水平杆受压，负值代表水平杆受拉。当水平杆不受力或受拉时，其 计算长度系数没有意义，因此图中未给出。两斜杆规格和内力均相等，始终互不支援，且其 计算长度系数相同，图中合并为一条曲线显示。可以看到：
[0060] (1)当P水脊/P册=1，三根杆件受力状态完全一致，互不影响，计算长度系数均为 0 · 5〇
[0061] (2)当軒<1，斜杆计算长度小于其几何长度的一半，表明受到了水平杆的 支援作用。当水平杆内力为零时，斜杆的计算长度系数由不受支援时的0.5降低为0.465。若 比值趋于负无穷大，屈曲时的水平杆拥有无穷大的拉力，这会导致其端部节点的转动刚度 无穷大，从而可将斜杆与水平杆相连的端点视为固支；由于两根斜杆的受力状态完全一致， 互不影响，因而斜杆的另一端点可以视为铰接，此时斜杆计算长度系数趋近于0.439。
[0062] (3)当P水:w/P|軒> 1，水平杆计算长度系数小于0.5，表明受到了两根斜杆的支援作 用。当比值趋于正无穷大，屈曲时的水平杆内力远大于斜杆内力，因而可忽略斜杆内力，则 斜杆对水平杆的支援作用仅由斜杆自身的物理抗弯刚度决定，并可等效为位于水平杆端 点、刚度分别为24i BD/7和24iCF/7的转动约束，此时水平杆的计算长度系数趋近于0.416。
[0063] 如图 12所示，同样以iAD= iBD= iAF= icF= iBE = icE，1ab= 1ac = Ibc的情况为例，给出 了当水平杆内力为零时，两根斜杆内力的比值与二者计算长度系数的关系，其中斜杆AC受 压。内力比值为正值表示杆AB受压，负值表示杆AB受拉。杆AB无内力或受拉时的计算长度系 数没有意义，因此图中未给出。由图可见：
[0064] (1)当PAB/PAC=1，两斜杆受力状态完全相同，互不影响，但均受到水平杆的支援， 计算长度系数皆为0.465,这与图4中水平杆内力为零时的情形一致。
[0065] (2)当PAB/PAC<1，杆AC计算长度系数小于两斜杆内力相等时的结果，表明此时杆 AC受到了杆AB的支援。杆AB内力为零时，杆AB和水平杆BC对杆AC的支援作用相等，后者的计 算长度系数为〇.416。若内力比值趋于负无穷大，屈曲时的杆AB内作用有无穷大的拉力，其 端部节点的转动刚度无穷大，杆AC与之相连的端点接近于固支，同时水平杆BC对杆AC的影 响可等效为位于C点、且刚度等于7i CE/2的转动约束，由此可求得杆AC的计算长度系数趋近 于0.386。
[0066] (3)当PAB/PAC>1，杆AB计算长度系数小于两斜杆内力相等时的结果，表明杆AB受 到了杆AC的支援。当内力比值趋于正无穷大时，屈曲时杆AC的内力相对杆AB可忽略不计，则 杆AC和水平杆BC对杆AB的支援作用均仅由自身的物理抗弯刚度决定，并可等效为位于杆AB 端点、刚度分别为为24iAF/7和24iBE/7的转动约束，此时杆AB的计算长度系数趋近于0.416。
[0067] 由图11和图12可见，杆件内力不同时，受力相对不利的杆件会受到邻近杆件的支 援，导致计算长度减小，使稳定性得到提高，但被支援杆件计算长度系数存在下限，下限值 与内力分布形式有关。需要注意的是，杆件间的支援作用会同时导致提供支援的杆件的计 算长度增大，该增大效应在杆件内力接近零时尤为显著，但杆件内力很小时，计算长度系数 的增加，并不会导致杆件承载力不足。
[0068] 本发明的由带支撑的三角形网格构成的钢结构冷却塔不受传统冷却塔结构选型 中大多数约束条件的限制，可依照工艺专业的要求采用双曲线型、圆锥直筒型等，具有受力 性能好、构造简单、造价低、施工周期短等特点。
[0069] 模数单元7和加强环桁架3采用矩形钢管或工字型构件作为基本构件。面内支撑6 采用圆钢管或其他构件作为基本构件。对于冷却塔结构，风荷载起控制作用，即控制荷载作 用方向垂直于塔体表面，因此应使网格结构的构件截面强轴方向垂直于塔身，以更好地抵 抗面风荷载。加强环桁架3的构件截面强轴沿竖直方向，以更有效地抵抗其自重作用。
[0070] 上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合 本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种由带支撑的三角形网格构成的钢结构冷却塔，其特征在于，所述冷却塔为单层 网格结构，所述单层网格结构包括斜杆、水平杆、面内支撑、加强环桁架、吊杆和撑杆;所述 冷却塔的塔体由一系列倒置的等腰三角形组成，构成若干层封闭的网格结构；每个等腰三 角形内设置面内支撑，与等腰三角形共同组成模数单元;模数单元的底边为所述水平杆;模 数单元的腰为所述斜杆;最底层模数单元的顶点固定于基础上，作为整个冷却塔的支座，其 余各层模数单元由下至上逐层搭设，顶点刚接于下层对应模数单元的底边端点上;所述加 强环桁架设置于塔体内侧，并通过所述吊杆或撑杆减小所述加强环桁架的挠度。2. 根据权利要求1所述的由带支撑的三角形网格构成的钢结构冷却塔，其特征在于，所 述面内支撑为三根支撑杆构成的一个三角形结构，所述三角形结构的三个顶点分别连接于 所述模数单元的三个边的中点处，形成带支撑的三角形网格结构。3. 根据权利要求1所述的由带支撑的三角形网格构成的钢结构冷却塔，其特征在于，所 述加强环桁架也由带支撑的等腰三角形组成，加强环桁架设置在所述冷却塔的塔体内侧， 加强环桁架的数量可根据需要设置;最上层的加强环桁架通过所述撑杆与构成塔体的所述 网格结构连接，其与各层加强环桁架均通过所述吊杆与构成塔体的所述网格结构连接。4. 根据权利要求1所述的由带支撑的三角形网格构成的钢结构冷却塔，其特征在于，所 述模数单元和加强环桁架采用矩形钢管或工字型构件作为基本构件。5. 根据权利要求1所述的由带支撑的三角形网格构成的钢结构冷却塔，其特征在于，所 述网格结构的构件截面强轴方向垂直于塔身，所述加强环桁架的构件截面强轴沿竖直方 向。6. 根据权利要求1所述的由带支撑的三角形网格构成的钢结构冷却塔，其特征在于，所 述冷却塔的内表面或外表面设置有围护体系。7. 根据权利要求1所述的由带支撑的三角形网格构成的钢结构冷却塔，其特征在于，所 述围护体系为镀锌钢板或铝板制成的刚性围护体系，也可以采用膜材制成的柔性围护体 系。
【文档编号】E04H5/12GK105927002SQ201610497712
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】朱忠义, 白光波, 董石麟, 刘飞, 赵保庆
【申请人】北京市建筑设计研究院有限公司