高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的簡(jiǎn)化計(jì)算

胡志廣

(賽鼎工程有限公司，山西太原 030032)

1 概述

塔設(shè)備是石油化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備之一，塔設(shè)備特點(diǎn)一般都是瘦高細(xì)長(zhǎng)，承受水平荷載較大，而塔基礎(chǔ)是支撐塔設(shè)備全部荷載的，所以塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)就特別重要。對(duì)于聯(lián)合式塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，目前尚缺少完善的計(jì)算軟件，都要靠設(shè)計(jì)人員手工完成計(jì)算，計(jì)算量較大，因而一種簡(jiǎn)單易用的聯(lián)合塔基礎(chǔ)計(jì)算方法在實(shí)際工作中是很有必要的。

石油化工塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算的幾種工況:1)正常操作;2)充水試壓;3)停產(chǎn)檢修;4)正常操作和地震同時(shí)作用;5)停產(chǎn)檢修和地震同時(shí)作用。

其中，充水試壓時(shí)風(fēng)荷載不參與組合，僅計(jì)入基本風(fēng)壓0．15 kN/m2風(fēng)荷載;正常操作和地震同時(shí)作用時(shí)風(fēng)荷載要參與組合，但組合系數(shù)取0．2。

塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)至少應(yīng)包括三個(gè)方面的內(nèi)容:地基承載力的計(jì)算;地基穩(wěn)定性的計(jì)算;基礎(chǔ)配筋計(jì)算。這三個(gè)方面的計(jì)算都涉及到了基底壓力pk，所以pk的計(jì)算分析清楚了，其他相關(guān)的計(jì)算都會(huì)迎刃而解。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范5．2．2條:

其中，Mk為相對(duì)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，作用于基礎(chǔ)底面的力矩值。

對(duì)于本文來說，試算時(shí)如果假定了基礎(chǔ)底面積及基礎(chǔ)埋深，則Fk，Gk，A，W已知，只有Mk即風(fēng)荷載所產(chǎn)生的力矩值是未知的。

2計(jì)算原理

2．1 風(fēng)荷載的計(jì)算

石油化工塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的風(fēng)荷載計(jì)算公式:

式中:w0——基本風(fēng)壓;

D0——包括保溫層在內(nèi)的塔外徑尺寸;

μs——風(fēng)荷載體型系數(shù)，規(guī)范統(tǒng)一取 μs=0．6;

μr——風(fēng)的重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)，取 1．1;

μe——考慮欄桿梯子塔平臺(tái)附屬管線等的風(fēng)荷載擴(kuò)大系數(shù);

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù);

βz——z高度處的風(fēng)振系數(shù)，計(jì)算公式為 βz=1+ ξε1ε2。

2．2 風(fēng)荷載的簡(jiǎn)化計(jì)算

式(1)中μe按規(guī)范需查表選取，手算時(shí)較繁瑣，現(xiàn)采用統(tǒng)一的統(tǒng)計(jì)公式來算:

其中，h為操作平臺(tái)間距離。

式(2)的推導(dǎo)過程可參考徐至鈞編制的《高塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算》一書。用式(2)計(jì)算的結(jié)果與規(guī)范的表格對(duì)比誤差很小，能滿足工程需求。

式(1)中βz的計(jì)算要用到塔設(shè)備的自振周期T1，建議T1的取用按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄A:

βz的取用建議，當(dāng)T1＜0．25 s時(shí)不考慮風(fēng)振影響，即 βz=1;當(dāng) T1≥0．25 s時(shí):

規(guī)范正文中風(fēng)荷載高度變化系數(shù)μz均以表格形式給出，但建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的條文說明中給出了μz的定義說明及計(jì)算方法，對(duì)不同的地面粗糙度其計(jì)算公式如下:

由式(5)可看出μz是高度z的連續(xù)函數(shù)，對(duì)于任意z都有一個(gè)μz與其對(duì)應(yīng)，我們?cè)谄綍r(shí)計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)，μz的取值均按荷載規(guī)范查表分段來計(jì)算，對(duì)于高度不大的結(jié)構(gòu)來說，分段數(shù)不多，計(jì)算難度尚可，但遇到如高塔設(shè)備一類一般高度常在60 m，70 m以上的結(jié)構(gòu)，仍按分段再疊加的方法計(jì)算風(fēng)荷載，計(jì)算過程就顯得太過繁瑣，這里筆者利用式(5)中μz是高度z的連續(xù)函數(shù)這一特點(diǎn)，嘗試用積分的方法來計(jì)算風(fēng)荷載，并得到一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算公式，以利于設(shè)計(jì)時(shí)編制簡(jiǎn)單Excel表格或編制簡(jiǎn)單計(jì)算小程序來減少計(jì)算工作量。

通過式(2)～式(5)的分析，式(1)中除μz外，其余參數(shù)都可作為常數(shù)，假設(shè):

設(shè)μz的一般式為:。

則有:

對(duì)于任意高度截面處，風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩值為:

對(duì)本文，我們僅研究風(fēng)荷載對(duì)基底產(chǎn)生的彎矩:

計(jì)算式(8)得:

其中，d為基礎(chǔ)埋深。

至此，風(fēng)荷載在基底所產(chǎn)生的彎矩值就能通過一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算式(9)，代入原始數(shù)據(jù)后直接求得，不需要再按照以前分段再疊加的繁瑣方法來計(jì)算了。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)荷載的計(jì)算做了詳細(xì)的推導(dǎo)簡(jiǎn)化，減少了手算時(shí)的工作量。如此，風(fēng)荷載對(duì)基底產(chǎn)生的彎矩僅需知道場(chǎng)地類別，塔體高度，塔體直徑，基礎(chǔ)埋深，基本風(fēng)壓等簡(jiǎn)單5個(gè)參數(shù)就可以直接代入公式算出，非常適合編制Excel表格來幫助計(jì)算。

［1］SH 3030-1997，石油化工塔形設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［2］石油化學(xué)工業(yè)部第一石油化工建設(shè)公司設(shè)計(jì)研究所．塔形設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)［Z］．

［3］徐至鈞．高塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］．北京:中國(guó)石化出版社，2001．

［4］GB 50135-2006，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［5］GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．

［6］GB 50011-2001，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2008版)［S］．

［7］GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［8］趙明華．土力學(xué)與基礎(chǔ)工程［M］．武漢:武漢工業(yè)出版社，2005．

［9］GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［10］中石化北京石化工程公司．獨(dú)立鋼塔圓形基礎(chǔ)CAD系統(tǒng)計(jì)算說明［Z］．