風荷載是控制超大型冷卻塔結構設計的主要因素。目前世界各國有關冷卻塔的荷載規范僅適用于良態氣候條件大氣邊界層風場，缺少對于風場特異性較強的龍卷風荷載效應的評估。為了進一步掌握超大型鋼筋混凝土冷卻塔的抵御龍卷風性能，利用同濟大學龍卷風模擬器對高度為215m原型冷卻塔結構縮尺模型進行了風洞試驗；研究了不同渦流比龍卷風對塔殼的風荷載作用，并將其應用于全尺寸有限元模型，模擬了鋼筋混凝土冷卻塔龍卷風致倒塌的全過程，并將考慮非線性倒塌影響的臨界風速與水工規范推薦的屈曲應力狀態法和線性分叉屈曲分析結果進行了比較。研究結果表明，龍卷風渦核半徑位置是使冷卻塔結構遭受龍卷風荷載效應的最不利區域，更容易發生結構倒塌破壞，結構材料塑性失效是龍卷風造成冷卻塔倒塌的關鍵因素。塔殼內側子午向鋼筋受拉破壞導致結構在切向氣流迎風區域出現環向裂縫，裂縫逐漸發展進而引發結構整體倒塌。數值仿真分析記錄了塔殼不同失效階段的裂縫發展情況，量化了結構固有頻率的和振型的演變過程，詳細評估了鋼筋混凝土冷卻塔抵御龍卷風的抗風性能。

Wind loads are a predominant design factor for the gravity, thermal effects, and seismic actions of thin-walled super-large cooling towers. The current load code provisions relating to cooling towers in various countries are only suitable for straight-line boundary-layer wind fields under normal climates, rather than non-synoptic winds such as tornadoes, which have quite different wind field characteristics and are more vulnerable to structural safety. To further understand the tornado-resistant performances of super-large reinforced concrete cooling towers (RCCTs), wind tunnel tests with respect to a reduced-scale model of a prototype structure with a height of 215 m were conducted using a tornado vortex simulator. Wind loads acting on the tower shell due to tornadoes with different swirl ratios were studied, and then applied to a refined full-scale finite element model. The entire process of tornado-induced RCCT collapse was simulated and the critical failure wind velocities considering nonlinear collapse effects were compared with the results from the buckling stress state (BSS) approach, which is recommended in national codes and linear bifurcation buckling analysis. The results revealed that structural failure is more likely to occur when the RCCT is located at the tornado core radius because the structure experiences the most unfavorable tornadic wind loads within this region. The loss of material strength rather than the loss of stability is the key factor influencing tornado-induced RCCT failure. The structural collapse is initiated by the appearance and development of circumferential cracks in the windward region of the tangential wind flow owing to the tensile failure of the meridian reinforcement inside the tower shell. The cracks around the tower shell lead to the degradation of the natural frequencies of the structure and the change in vibration modes, and finally affect the tornado-resistant performance of the RCCT.

風洞試驗在確定超大型冷卻塔的風荷載方面發揮著重要作用。自從龍卷風模擬器誕生以來，國內外學者陸續研究了龍卷風對低矮/高層建筑、大跨度空間結構和大跨度橋梁等風敏感結構的影響。然而對大型冷卻塔的研究相對較少，為了合理評估大型冷卻塔等核電類基礎設施抵御龍卷風侵襲能力，需要進一步了解龍卷風作用下鋼筋混凝土冷卻塔的風荷載及其效應。

本研究的目的是闡明龍卷風作用下大型冷卻塔結構表面風荷載分布規律，揭示龍卷風作用下的鋼筋混凝土冷卻塔失效機理。將冷卻塔剛性模型置于風洞模擬的類龍卷風旋渦中，測量作用在塔殼上的分布風荷載；利用顯式動力分析程序（LS-Dyna）進行了有限元數值計算，模擬了龍卷風致冷卻塔倒塌全過程，再現了結構倒塌過程裂縫的產生和發展，討論了冷卻塔的倒塌方式和易損位置，明確了冷卻塔在龍卷風渦旋作用下的抗風性能。

表1 冷卻塔剛性模型參數

雷諾數Re僅為原型的1/15000 (幾何比例為1/1500，風速比為1/10)。為了補償Re的影響，在剛性模型外表面布置了36條等間距的子午向縱肋，以改善模型的表面粗糙度，具體布置情況如圖1。

圖1 冷卻塔模型表面縱肋和測壓點布置情況

渦流比S是決定龍卷風旋渦效應和旋渦結構的重要無量綱參數，定義為:

隨著S的增大，龍卷風渦核中心出現下沉氣流，說明龍卷風渦旋結構逐漸由單渦旋向雙渦旋過渡。此外，通過實驗結果、理論結果和現場測量結果的對比，驗證了同濟大學龍卷風模擬器的適用性，表明該模擬器再現類龍卷風渦旋時可以生成真實龍卷風的基本風場特征。

龍卷風渦旋下冷卻塔的氣動荷載與良態氣候的結果有明顯的不同。龍卷風致氣動合力包括3個基底剪力（FX、FY、FZ）、2個基底傾覆力矩（MX、MY）和1個旋轉力矩（MZ）(見圖3(a))，而邊界層良態風作用下的氣動合力包括1個橫風向升力（FX）、1個順風向阻力（FY）和2個基底傾覆力矩（MX、MY）(見圖3(b))。

在剛性模型底部安裝了六分量動態天平裝置，用于測量在龍卷風試驗中作用于冷卻塔的氣動合力。對應的氣動合力系數定義如下:

圖4、圖5分別給出了五種渦流比的平均氣動合力系數隨冷卻塔與龍卷風渦核中心相對距離r的變化，并同時給出了龍卷風致氣動合力隨相對距離r的波動變化。

圖4 與龍卷風中心不同距離的氣動合力平均值變化規律

由以上結果可知，當冷卻塔位于龍卷風渦核半徑以內時，較少受龍卷風荷載效應影響。當冷卻塔位于龍卷風渦核內部時，低渦流比龍卷風的荷載效應大于高渦流比結果，而當冷卻塔位于龍卷風渦核外部時，高渦流比龍卷風的荷載效應大于低渦流比結果。

受龍卷風渦旋影響的冷卻塔局部風壓也與邊界層良態氣候條件的結果顯著不同。局部風壓系數定義如下：

龍卷風引起的塔殼內表面壓力通常是均勻和穩定的，基于Rankine模型，內壓系數可以表示為：

圖6給出了冷卻塔與龍卷風之間4個相對距離的凈平均壓力系數分布曲線。對比相同的設計風速，風荷載規范在邊界層風作用下的建議取值可以比較準確的估計龍卷風引起的迎風點正壓和側面負壓，但低估了背風面的負壓取值。

由于結構倒塌涉及到材料的非線性和結構的非連續破損失效，在物理風洞試驗中難以模擬，因此本文對冷卻塔在龍卷風作用下的倒塌過程進行了數值仿真模擬。首先通過對比冷卻塔在地震作用和其他意外荷載作用下的物理模型試驗和數值模擬結果，驗證了所采用有限元模型的精度和可靠性。

圖7 冷卻塔三維有限元分層殼和鋼筋網精細化模型

龍卷風致冷卻塔倒塌與切向氣流作用的迎風區域周向裂縫出現和發展密切相關。此外，龍卷風的旋渦效應導致塔殼出現斜裂縫，導致整個塔殼的結構破壞。當冷卻塔位于龍卷風渦核半徑位置時，更容易坍塌（如圖10）。

破壞過程中裂縫的產生和發展會導致結構整體剛度的退化。圖11顯示了初始冷卻塔和開裂過程冷卻塔前十階固有頻率的對比。

圖12(a)給出了水工規范BSS方法計算結果，圖12(b)給出了基于分岔屈曲分析的五種渦流比下臨界屈曲切向風速隨相對距離的變化情況。臨界切向風速隨相對距離和渦流比的變化趨勢與BSS方法相似。兩種穩定性分析方法的結果表明，位于龍卷風渦核半徑位置時更容易發生失穩。當冷卻塔位于龍卷風渦核內時，渦流比低的龍卷風更容易引起結構屈曲；而當冷卻塔位于龍卷風渦核外時，渦流比大的龍卷風更容易造成結構屈曲。圖12還表明了分岔屈曲分析得到較高的臨界風速，而BSS方法得到相對較低的臨界風速。這種差異是由于BSS方法一定程度上考慮了結構的非線性效應，而分支屈曲分析只針對線彈性結構實施計算。

圖12 臨界屈曲切向風速 

根據倒塌過程的模擬結果，在迎風區域，初始裂縫的出現直接觸發了冷卻塔的倒塌。裂縫的發展顯著影響了冷卻塔結構損傷，導致結構動力特性的變化和風致振動效應的惡化。倒塌數值模擬的后處理分析結果表明，隨著裂縫的發展，塔筒內側子午向鋼筋達到極限拉應變，發生受拉破壞。此外，內側子午向鋼筋的損傷早于外側子午筋，可以得出龍卷風作用下冷卻塔的破壞是由于材料強度的損失而非穩定性損失。結合上述分析過程，對于冷卻塔抵御強風侵襲而言，裂縫發展對結構破壞行為的影響更適合采用倒塌數值模擬研究方法，而非BSS方法和線彈性分叉屈曲分析算法。