一种采用榫卯式毂节点的钢结构冷却塔技术领域
本实用新型涉及火电机组技术领域，特别是涉及一种采用榫卯式
毂节点的钢结构冷却塔。
背景技术
冷却塔(Thecoolingtower)是用水作为循环冷却剂，从一系统中吸
收热量排放至大气中，以降低水温的装置；具体是利用水与空气流动
接触后进行冷热交换产生蒸汽，蒸汽挥发带走热量达到蒸发散热、对
流传热和辐射传热等原理来散去工业上或制冷空调中产生的余热，以
降低水温的蒸发散热装置，一般为桶状，故名为冷却塔。根据冷却形
式的不同，可以分为直接(开路)和间接(闭路)散热设备，其中，
间接散热设备称为间接冷却塔，有时又称为“闭合电路的冷却塔”。
现有火电厂的间接冷却塔主要采用钢筋混凝土结构。混凝土结构
的冷却塔重量大，地震作用也比较大，需要基础具有比较高的承载力，
造成基础体量大。而且，混凝土结构的施工周期长，施工质量难以保
证。
因此，如何设计一种采用榫卯式毂节点的钢结构冷却塔，以便在
降低造价、缩短施工周期的同时，兼顾其抗风性能、抗震性能和稳定
性能，成为本领域技术人员目前亟需解决的技术问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种采用榫卯式毂节点的钢结构冷却
塔，具有较强的抗震、抗风和稳定性能，且施工周期短，施工质量易
于保证。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种钢结构冷却塔，包括
桁架和若干网壳，所述桁架包括若干第一桁架和若干呈环形设置的第
二桁架，各所述第二桁架同轴设置，并由上至下间隔排布；各所述第
一桁架由上至下延伸，并间隔分布在所述第二桁架的周向，与各所述
第二桁架连接；相邻的所述第一桁架与相邻的所述第二桁架围合形成
安装框，各所述网壳连接在与各自对应的所述安装框内；所述第一桁
架、所述第二桁架和所述网壳中至少一者由若干钢管通过毂节点连接
而成；所述毂节点的外周壁具有若干用于安装所述钢管的凹槽，所述
凹槽在所述毂节点的轴向延伸，所述毂节点的两端设有压盖，以便将
各所述钢管轴向压紧。
本实用新型的钢结构冷却塔，通过第一桁架和第二桁架构成立体
的桁架结构，由于第一桁架和第二桁架相互制约，不仅具有较强的结
构稳定性，还具有较高的抗风能力，形成钢结构冷却塔的“骨架”；然
后，在第一桁架和第二桁架围合形成的空腔内填充网壳，连接形成一
整个密实的网状结构，具有较强的抗震性能以及使用强度。与现有技
术中的混凝土结构相比，本实用新型降低了对于基础的依赖，从而提
高了抗震性能；同时，由于取代了混凝土结构，本实用新型降低了混
凝土的用量以及对于基础的要求，在较大程度上缩短了施工周期以及
成本；本实用新型采用连接构件的形式组合形成钢结构冷却塔，易于
工业化和规模化生产，不仅可以缩短施工周期，还易于保证质量。
更为重要的是，本实用新型由若干钢管通过毂节点连接形成第一
桁架、第二桁架和/或网壳，钢管与毂节点采用榫卯配合，毂节点的连
接强度能够大于单个钢管的极限承载力，保证连接可靠性，避免连接
弱环，使得整个钢结构冷却塔具有足够高的强度。此时，采用毂节点
的连接近似于固定连接，除了可以承受拉压等轴向载荷外，还可以承
受较大的弯矩和剪切力，使得毂节点与钢管的连接更加稳固；同时，
采用毂节点的连接实质上是一种可拆卸的连接，可以通过钢管形成所
需的桁架和网壳，并通过桁架与网壳组合形成大跨度的结构体。此外，
毂节点的两端设有压盖，通过压盖将钢管轴向压紧定位，进一步提高
了钢管的连接可靠性，避免钢管滑脱，不仅便于各待连接钢管与凹槽
的连接，还不会影响节点的连接可靠性，与现有技术中采用钢管焊接
的形式相比，安装和拆卸更为便捷。
可选地，所述凹槽为锯齿槽，所述锯齿槽包括至少两个在所述毂
节点的径向间隔分布的锯齿。
可选地，所述锯齿槽的相对两侧壁均设有锯齿，且两侧壁上的锯
齿轴向对称设置。
可选地，还包括连接件，所述毂节点具有轴向贯通的连接孔，所
述连接件贯穿所述连接孔并以其两端与相应端的所述压盖连接，以压
紧所述压盖。
可选地，所述钢管的端头具有扁平状的凸肋，所述凸肋与所述凹
槽配合。
可选地，所述钢管具有至少两对凸肋，且每对所述凸肋轴向对称
设置，相邻的两对所述凸肋之间形成喉部；所述钢管的端头通过由外
而内渐缩的渐变部与最外侧的所述凸肋连接，所述渐变部与最外侧的
所述凸肋之间也形成喉部。
可选地，处于最内侧的所述喉部的长度是其最窄处宽度的1.5～3
倍。
可选地，处于最外侧的所述喉部的长度是其最窄处宽度的1.5～2.5
倍。
可选地，处于最外侧的所述凸肋的外侧面与所述钢管的纵向轴线
的夹角为65～90度。
可选地，所述凸肋与所述凹槽之间的间隙在径向上由内而外递
减。
附图说明
图1为本实用新型所提供钢结构冷却塔在一种具体实施方式中的
正面结构示意图；
图2为本实用新型所提供钢结构冷却塔的网壳在一种设置方式中
的结构示意图；
图3为本实用新型所提供钢结构冷却塔的桁架在一种设置方式中
的结构示意图；
图4为本实用新型所提供钢结构冷却塔的支撑件在一种设置方式
中的结构示意图；
图5为本实用新型所提供钢结构冷却塔所采用毂节点在一种具体
实施方式中的立体结构示意图；
图6为图5所示毂节点的其中一个凹槽与钢管在连接状态下的俯
视图。
图1-6中：
桁架1、第一桁架11、第二桁架12、网壳2、安装框3、支撑件4、
格构柱41、钢管5、凸肋51、喉部52、渐变部53、毂节点6、凹槽
61、压盖62、连接件63、连接孔64。
具体实施方式
本实用新型的核心是提供一种采用榫卯式毂节点的钢结构冷却
塔，具有较强的抗震、抗风和稳定性能，且施工周期短，施工质量易
于保证。
以下结合附图，对本实用新型的采用榫卯式毂节点的钢结构冷却
塔进行具体介绍，以便本领域技术人员准确理解本实用新型的技术方
案。
本文中的方位以钢结构冷却塔正常使用状态为参照进行定义。钢
结构冷却塔正常使用时，靠近地面的方向为下，远离地面的方向为上；
在无特殊说明的情况下，本文以第二桁架12的环绕方向为周向，第二
桁架12的径向为径向。
本文所述的若干是指数量不确定的多个，通常为三个以上；而且，
若干表示数量不确定，则当采用若干表示某几个部件的个数时，不能
理解为这些部件的个数相等。
本文所述的第一、第二等词仅为了区分结构相同或类似的两个以
上的部件或者结构，不表示对顺序的某种特殊限定。
如图1所示，本实用新型提供了一种钢结构冷却塔，包括桁架1
和若干网壳2，其中，桁架1包括若干第一桁架11和若干第二桁架12，
各第二桁架12可以同轴设置，并由上至下间隔排布；各第一桁架11
均可以由上至下延伸，并与各第二桁架12依次连接，且各第一桁架
11可以在第二桁架12的周向间隔排布，此时，第一桁架11与第二桁
架12相互连接，形成整体结构的桁架1，构成间隔冷却塔的主体或者
说“骨架”。同时，两相邻的第一桁架11与两相邻的第二桁架12共同
围合形成安装框3，由于桁架1包括若干第一桁架11和第二桁架12，
则整个桁架1上构建出若干安装框3；每个安装框3内均可以安装网
壳2，或者说可以通过网壳2填充安装框3，使得网壳2与桁架1连接
为一个整体，则网壳2与桁架1相互协同，交织为网状的筒形结构，
形成本实用新型的钢结构冷却塔。
本实用新型的钢结构冷却塔，采用第一桁架11和第二桁架12交
叉连接，第一桁架11形成钢结构冷却塔在上下方向的支撑骨架，第二
桁架12构成周向的支撑骨架，且第一桁架11将上下分布的第二桁架
12连接为一体，第二桁架12将各第一桁架11连接为一体，形成具有
足够强度和稳定性的桁架1，作为钢结构冷却塔的主体构架；同时，
在桁架1的各安装框3内连接有网壳2，以填补相邻的第一桁架11与
第二桁架12之间的区域，在各安装框3形成可靠的“防护网”，构成
筒形的网状体，即为本实用新型的钢结构冷却塔。
可见，本实用新型的钢结构冷却塔具有较高的稳定性能，同时，
其各个方向均能够有效防护，具有较高的抗风、抗压以及抗侧性能；
本实用新型的钢结构冷却塔完全取代了现有技术中的混凝土结构，也
降低了混凝土结构对基础的依赖程度，相应地降低了地震作用以及对
基础的成本，尤其可以减少构建基础所用钢材和混凝土的用量；与现
有技术中混凝土结构的钢结构冷却塔相比，本实用新型易于工厂化、
规模化生产，且施工周期短、施工质量易于保证。
本文中所述的桁架1是指，由杆件通过焊接、铆接或螺栓连接而
成的支撑梁结构。桁架1的优点是杆件主要承受拉力或压力，可以充
分发挥材料的作用，节约材料，减轻结构重量。常用的有钢桁架、钢
筋混凝土桁架、预应力混凝土桁架、木桁架、钢与木组合桁架、钢与
混凝土组合桁架，本文中的桁架1优先选用刚桁架。本文中所述的第
一桁架11是指由上至下延伸的桁架，大体在垂向上延伸，也可以相对
垂向偏移一定的角度，可以沿直线延伸，也可以为弧形等曲线结构；
第二桁架12是指首尾相接形成环形的桁架，具体可以为圆环或者椭圆
环，还可以根据需要设置周向曲度变化的环形。
本文所述的网壳2属于空间网格结构的一种，所谓空间网格结构
是指按一定规律布置的杆件、构件通过节点连接而成的空间结构，包
括网架、曲面型的网壳以及立体桁架等。换言之，网壳2是一种曲面
结构的空间网格结构。网壳2的常见型式有圆柱面网壳、圆球网壳和
双曲抛物面网壳。圆柱面网壳的外形呈圆柱形曲面的网状结构，兼有
杆系和壳体结构的受力特点；单层结构按排列可分为单向斜杆正交正
放网格、交叉斜杆正交正放网格、联方网格和三向网格；双层结构可
参照平板网架的型式布置不同的网格。圆球网壳常见的网格形式有：
肋型、施威德肋型、联方网格、短程线型、三向网格。双曲抛物面网
壳是将一直线的两端沿两根在空间倾斜的固定导线(直线或曲线)上平
行移动而构成；单层结构常用直梁作杆件，双层结构采用直线衍架两
向正交而成。
可见，本实用新型的网壳2可以采用单层或者双层结构，也就是
说，本实用新型的网壳2可以为单层网壳或者双层网壳，具体可以根
据网壳2的类型采用不同的结构形式。
如图2所示，本实用新型的网壳2可以为单层网壳，可以由若干
钢管相贯焊接形成所述单层网壳，或者由若干钢管通过毂节点连接而
形成所述单层网壳。
本实用新型的网壳2也可以为双层网壳，可以由若干钢管相贯焊
接而形成所述双层网壳，或者由若干钢管通过螺栓球节点、焊接球节
点或者毂节点连接而成所述双层网壳。
请进一步参考图3，如图3所示，本实用新型的桁架1中，第一
桁架1和第二桁架12均可以由若干钢管相贯焊接而成，或者采用毂节
点等连接而成。第一桁架11与第二桁架12可以在相交点焊接，也可
以通过毂节点等连接，形成稳定的桁架1。
根据桁架1与网壳2结构形式的不同，可以采用不同的连接方式
实现两者的连接，具体可以采用焊接连接的方式，或者将网壳2直接
与桁架1上的节点连接。如图3所示，当桁架1上所形成的安装框3
为方形空腔时，网壳2可以其四周焊接固定在桁架1上，或者以其四
周的钢管直接连接在桁架1的节点上，以实现网壳2与桁架1的可靠
连接。
在上述基础上，本实用新型还可以包括支撑件4，支撑件4可以
与最下端的第二桁架12相连，并能够通过支撑件4实现与基础的连接。
请结合图4，本实用新型的支撑件4可以包括若干格构柱41，所
述格构柱41可以交叉设置，形成在最下端的第二桁架12的周向分别
的交叉柱，各格构柱41的顶端固定连接在最下端的第二桁架12上，
并在第二桁架12的周向间隔分布，各格构柱41的底端形成能够与基
础连接的固定端。所述格构柱41一般为型钢或钢板设计成双轴对称或
单轴对称的截面。
格构柱41的交叉形式多样，具体可以采用两根格构柱41呈X型
交叉的形式，当然也可以根据需要选择多根格构柱41交叉。当格构柱
41采用X型交叉时，处于上下方向的交叉角度以不大于90度为宜，
此时，格构柱41的支撑力在竖直方向上具有足够的分力，以有效支撑
上部的桁架1和网壳2，同时又能够通过支撑力在横向上的分力产生
第二桁架12的周向聚拢力，提高周向稳定性以及抗侧和抗风性能。
此时，还可以在基础内设置预埋件，然后将格构柱41的固定端
与预埋件连接，以便将格构柱41固定在基础上。预埋件的结构形式以
及安装方式均可以根据现有技术进行设置，此处不再赘述，只要能够
与格构柱41匹配即可。
此外，各第一桁架11可以处于同一圆锥面内，或者说各第一桁架
11可以为弧度一致的弧形，且可以均匀地分布在第二桁架12的周向。
各第二桁架12的直径可以相等，也可以由上至下渐增或者呈直线型或
者曲线型变化，具体可以根据钢结构冷却塔的空间结构需求进行设置。
各第一桁架11也可以围合形成腰状的筒形框架，如图1-3所示，
第一桁架11大致呈由上至下延伸的弧形，其曲率在由上至下的方向上
先增加后减小，形成类似马鞍状的筒形外框，更加符合工程力学，具
有较强的抗风性能和稳定性。
如上文所述，本实用新型的第一桁架11、第二桁架12以及网壳2
均可以由若干钢管通过毂节点连接而成，以下结合图5和图6，对本
实用新型所采用的毂节点6进行详细说明。
毂节点6为圆柱形或者类似圆柱形的轮毂状的节点，下文中所述
的轴向是以毂节点6为参照的，毂节点6的轮毂的轴向为下文所述的
轴向，轮毂的径向为下文所述的径向；以靠近毂节点6中轴线的方向
为内，远离其中轴线的方向为外。
如图5所示，所述毂节点6可以包括类似圆柱状的主体，在主体
的外周壁上设有若干凹槽61，凹槽61在毂节点6的轴向上延伸，具
体可以由毂节点6的外周壁沿径向向内凹进；钢管5的端部可以采用
特制模具压扁形成扁平状的凸肋51，多个凸肋51可以依次连接形成
波纹状结构，凸肋51能够与毂节点6的凹槽61形成榫卯配合，以便
将各钢管5通过毂节点6连接为一体。
同时，毂节点6的两端还设有压盖62，如图5所示，压盖62能
够盖合在毂节点6的两端，从而将安装于凹槽61中的钢管5轴向压紧，
避免钢管5沿轴向滑脱出凹槽61内，实现钢管5与毂节点6的可靠连
接。
压盖62的设置使得可以对钢管5插入凹槽61的部分进行防护，
使得插入部分的材料特性不受影响，尤其可以使得插入部分的固定更
为可靠。
其中，凹槽61的凹进方向也可以相对毂节点6的径向偏离一定
的角度，只要由毂节点6的外周壁向内凹进一定距离、以形成用于安
装钢管5的安装槽即可；同理，凹槽61可以沿毂节点6的轴向贯穿，
也可以仅具有一定的轴向长度而不贯穿毂节点6，只要能够保证钢管5
与凹槽61具有足够的接触面积即可。
本实用新型的毂节点6还可以包括连接件63，在毂节点6上可以
设置轴向贯通的连接孔64，连接件63可以贯穿连接孔64并以其两端
与处于两端的压盖62固定连接，进而将压盖62轴向压紧。
详细地，连接件63具体可以为锁紧螺钉，以其螺杆贯穿连接孔
64，并在与两端的压盖62对应的位置分别设置固定螺母和螺帽，通过
固定螺母将螺杆轴向锁紧，进而使得两端的压盖62轴向压紧。
当然，连接件63的结构形式多样，不限于上述锁紧螺钉，还可
以为锁紧销等其他定位件，具体可以参照现有技术进行设置。
在上述基础上，可以对凹槽61的结构进行设置，以提高钢管5
与毂节点6的连接可靠性。
如图5所示，凹槽61可以设置为锯齿槽，锯齿槽包括至少两个
在毂节点6的径向上间隔分布的锯齿，也就是说，锯齿槽沿毂节点6
的径向向内凹进，锯齿可以大致在毂节点6的轴向上延伸。
锯齿槽的相对设置的两侧壁均可以设有所述锯齿，且两侧壁上的
锯齿可以轴向对称设置；或者说，锯齿槽可以为对称结构的槽。当然，
锯齿槽可以设置为对称结构，也可以设置为非对称结构，即锯齿槽内
可以设有多个对称或者不对称分布的锯齿，处于两侧的锯齿可以对称
地设置在同一直径的圆周上，也可以相互交错而不处于同一直径的圆
周上。
本领域技术人员还可以根据需要设置毂节点6上凹槽61的数量
以及分布情况，以实现多根钢管5的连接，构建出所需的网壳2、第
一桁架11和第二桁架12。
请进一步结合图6，如图6所示，钢管5的端头可以设置至少两
对凸肋51，每对凸肋51均可以轴向对称设置，则在钢管5的纵向轴
线上间隔分布有若干对凸肋51，相邻的两对凸肋51之间形成喉部52，
即相邻凸肋51之间的凹陷区域构成所述喉部52，由于该凹陷区域的
长度较短且宽度较小，故称为相邻凸肋51之间的喉部52。或者说，
钢管5的端头在纵向轴线上大致呈波纹状设置，突出的部分称为凸肋
51，凹进的部分称为喉部52。
如图6所示，钢管5的端头还可以设置渐变部53，渐变部53由
外而内渐缩设置，渐变部53的外端能够与钢管5的主体部分连接，内
端与最外侧的凸肋51连接；在最外侧的凸肋51与渐变部53之间也形
成喉部52，该喉部52为最外侧的喉部52。
同时，处于最内侧的喉部52的长度是其最窄处宽度的1.5～3倍；
处于最外侧的喉部52的长度是其最窄处宽度的1.5～2.5倍。当采用上
述比例对喉部52的结构进行设置时，能够有效兼顾喉部52所承受的
拉压作用力与剪切作用力，提高钢管5的结构强度以及钢管5与毂节
点6的连接强度。
并且，处于最外侧的喉部52的宽度由钢管5的屈服强度与极限
强度之比决定；钢结构的屈服强度与极限强度的比值至少为70％，可
以根据该比值设置最外侧的喉部52的宽度以及长度。
此外，处于最外侧的凸肋51的外侧面相对钢管5的纵向轴线倾
斜设置，且与钢管5的纵向轴线的夹角A处于65～90度之间，优选为
图6中所示的近似75度向内倾斜的结构，该角度可以保证凸肋51与
凹槽61的接触可靠性，使得凹槽61以其内壁对凸肋51进行有效支撑。
还可以对凸肋51与凹槽61之间的间隙进行设置，如图6所示，
各凸肋51与凹槽61之间的间隙可以在毂节点6的径向上由内而外递
减。此时，一方面可以保证凸肋51能够顺利插入凹槽61内；另一方
面，外侧的凸肋51与凹槽61能够有效卡紧配合，且处于外侧的凸肋
51与凹槽61的结合要早于处于内侧的凸肋51与凹槽61的结合，便
于钢管5的张力通过管端更好地展开，避免钢管5由凹槽61滑脱。
如上文所述，此处所述的内外、轴向与径向均是相对于毂节点6
而言的。
本领域技术人员还可以根据需要设置凸肋51与喉部52的面积，
以及凹槽61的结构形式，以使得毂节点6上每个凹槽61处所承受剪
切作用力的面积大于承受拉压载荷的面积，且承受剪切作用力的面积
与承受拉压载荷的面积之比要根据钢管5的抗拉强度与毂节点6的抗
剪强度的比值进行设置，进而保证钢管5与毂节点6连接后所形成的
整体具有大致相当的抗拉强度与抗剪强度。
更为详细地，毂节点6与钢管5的受剪面积之比近似等于钢管5
与毂节点6的抗剪强度之比；其中，毂节点6的受剪面积可以估算为
凹槽61发生初始塑性破坏时的临界滑移面的面积。也可以根据上述原
理设置承受拉压载荷的面积。
以上对本实用新型所提供采用榫卯式毂节点的钢结构冷却塔进
行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方
式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核
心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离
本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，
这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。