鋼結(jié)構(gòu)冷換框架風荷載計算方法的應(yīng)用比較

張志成

（上海河圖工程股份有限公司， 上海 201203）

鋼結(jié)構(gòu)冷換框架（以下簡稱構(gòu)架）是石油化工生產(chǎn)裝置中常見的構(gòu)筑物，構(gòu)架呈敞開布置，結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附件、設(shè)備和管線均暴露在風荷載作用環(huán)境下，故在風荷載計算時存在非常大的不確定性和不均勻性[1]。構(gòu)架風荷載計算有三種常用方法：第一種是參照封閉結(jié)構(gòu)并考慮擋風面積和體型系數(shù)差異而乘以調(diào)整系數(shù)的計算方法（以下簡稱綜合擋風系數(shù)法）；第二種是按照《石油化工鋼結(jié)構(gòu)冷換框架設(shè)計規(guī)范》SH/T 3077-2012 附錄A 中的計算方法[2]（以下簡稱SH/T3077 算法）；第三種是按照《石油化工建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 51006-2014 附錄B 的計算方法[3]（以下簡稱GB51006 算法）。這三種方法在原理和使用上都存在一些不同，本文通過案例計算對比，分析計算過程和結(jié)果的差異。

1 常用的三種風荷載計算方法

1.1 綜合擋風系數(shù)法

擋風系數(shù)φ指各構(gòu)件凈投影面積An 與結(jié)構(gòu)輪廓面積A 的比值，在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009-2012 表8.3.1 中的33 項和35 項對不同擋風系數(shù)的桁架和塔架分別給出了風荷載體型系數(shù)[4]。對于冷換框架而言，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件的數(shù)量遠多于桁架和塔架，布置不均勻、設(shè)備和管線擋風面積占比大、體型系數(shù)差異明顯，故擋風系數(shù)非常離散，難以通過擋風系數(shù)得出合適的整體風荷載體型系數(shù)。因此可以引入一個綜合擋風系數(shù)μa，在傳統(tǒng)的擋風系數(shù)基礎(chǔ)上，綜合考慮體型系數(shù)差異以及構(gòu)架與設(shè)備布置情況，就能相對更準確地體現(xiàn)冷換框架的特性。作用于構(gòu)架每層的風荷載FK可按下式計算：

式中：βz 為風振系數(shù)；μs 為按封閉結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)，取1.3；μz 為風壓高度變化系數(shù)；WO 為基本風壓；A 為構(gòu)架輪廓投影面積；μsi 為結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附件、設(shè)備和管線的體型系數(shù)，可以酌情考慮遮蔽帶來的折減；Ai為結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附件、設(shè)備和管線的擋風面積。

1.2 SH/T3077 算法

SH/T 3077 規(guī)定構(gòu)架上的風荷載應(yīng)包括梁、柱、斜撐、欄桿和設(shè)備承受的風荷載，計算風荷載時應(yīng)考慮前后榀框架、前后設(shè)備的遮擋，并提供按該標準附錄A近似計算構(gòu)架每層節(jié)點上的風荷載標準值，可近似按下式計算：

式中的A1、A2、A3、A4、A5 分別為梁、柱、斜撐、欄桿、設(shè)備的折算擋風面積。風橫向作用時，A1、A2、A3、A4 按該標準中表A.2-1 的規(guī)定計算，A5 按表A.2-2 的規(guī)定計算。風縱向作用時，A1、A2、A3、A4 按表A.3-1 的規(guī)定計算，A5 按表A.3-2 的規(guī)定計算?？蚣懿糠值恼鬯銚躏L面積與跨數(shù)、層高、構(gòu)件尺寸相關(guān)，并考慮了部分體型系數(shù)的折減。設(shè)備部分的折算擋風面積與類型、臺數(shù)和外形尺寸相關(guān)，對于多臺設(shè)備考慮一定的遮檔。

1.3 GB51006 算法

GB 51006 規(guī)定構(gòu)架風荷載應(yīng)包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附件風荷載、設(shè)備和管道風荷載。對于單榀構(gòu)架，結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括柱、梁、支撐以及平行于風向的支撐，附件包括欄桿、梯子。當構(gòu)架按整體計算風荷載時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附件的風荷載可按該標準附錄B 的規(guī)定計算。作用于框架整體的風荷載Fk1 可按FK1=βzμswμzWOAS計算。式中：AS為擋風面積，應(yīng)取迎風面第一榀框架擋風面積和各榀框架擋風面積平均值的較大值；μsw 為整體體型系數(shù)，根據(jù)S/B、φ、N 等參數(shù)查附表B.0.1 得到；S 為與風平行方向框架的跨度，宜取迎風向第一跨跨度和框架平均跨度的較小值；B 為與風垂直方向框架的輪廓寬度，可取各層輪廓寬度的平均值或多數(shù)層的輪廓寬度；φ為擋風系數(shù)，由As 除以輪廓面積得到；N 為與風向垂直的框架總榀數(shù)。

構(gòu)架上設(shè)備和管線的風荷載FK2 可分層逐個計算，計算方法與采用綜合擋風系數(shù)法時相同，管道擋風面積可按設(shè)備擋風面積10%計算。設(shè)備和管道的風荷載還應(yīng)根據(jù)框架布置進行折減，頂層平臺的設(shè)備和管道、風沿冷換設(shè)備縱向作用且迎風面無支撐時的設(shè)備和管道可不折減，折減系數(shù)可按計算。

采用該方法時，宜取一個主方向構(gòu)架風荷載與另一個主方向結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附件風荷載的50%共同作用。

2 案例對比計算

2.1 工程項目概況

沿海某石油化工項目，基本風壓0.75kPa，地面粗糙度A 類。構(gòu)架采用橫向框架支撐、縱向純框架體系，橫向單跨8.7m，縱向3×7.5m，三層層高分別為7m、7m、6m。一層布有1 臺臥式容器和4 臺重疊布置的換熱器，二層布有6 臺單臺布置的換熱器，三層布滿空冷器。構(gòu)架的平立面布置、結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備尺寸參數(shù)見圖1。

通過軟件初步分析得到構(gòu)架X 向（縱向）自振周期為1.44s，Y 向（橫向）自振周期為0.36s。根據(jù)GB 50009 中8.2.1 條可查得風壓高度變化系數(shù) ，根據(jù)GB 50009 中8.4.1～7 條可算得風振系數(shù)βz，結(jié)果見表1。

表1 高度變化系數(shù)和風振系數(shù)

2.2 綜合擋風系數(shù)法的計算

冷換框架一般采用橫向受力體系，大部分的設(shè)備梁和平臺梁沿縱向布置，而設(shè)備梁截面高度較大，風沿構(gòu)架橫向作用時，有必要計入設(shè)備梁的擋風。斜梯體型系數(shù)取1.3，橫向擋風面積可按斜梯高度取0.5m2/m，縱向擋風面積可按水平投影長度1.0m2/m。鋼欄桿體型系數(shù)取1.3，擋風面積根據(jù)長度取0.26m2/m。

臥式設(shè)備軸向的體型系數(shù)取1.3，擋風面積為軸向投影面積。臥式設(shè)備縱向的體型系數(shù)取0.7，當多臺時布置時僅對最大一臺取0.7，其余取0.25，擋風面積取設(shè)備外徑乘以設(shè)備長度?？绽湓O(shè)備體型系數(shù)取1.3，擋風面積可按布置長度按2m2/m考慮。設(shè)備支座的體型系數(shù)取1.3，擋風面積橫向取設(shè)備面積的80%、縱向取設(shè)備面積的10%。管線體型系數(shù)取0.7，擋風面積取設(shè)備面積的10%。

采用綜合擋風系數(shù)法的層間風荷載計算過程和結(jié)果見表2。

表2 綜合擋風系數(shù)法的層間風荷載計算

2.3 SH/T3077 算法的計算

采用SH/T3077 算法計算時，計算公式中已包含構(gòu)件和設(shè)備的體型系數(shù)，并考慮一定的折減。臥式設(shè)備的折算擋風面積只給出了DN≤800 和8001200 的設(shè)備，以800

采用SH/T3077 算法的軸線節(jié)點風荷載計算過程和結(jié)果見表3。

表3 SH/T3077 算法的軸線節(jié)點風荷載計算

2.4 GB51006 算法的計算

采用GB51006 算法計算時，先計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附件的風荷載，然后再計算設(shè)備和管線的風荷載。整體體型系數(shù)μsw 需要根據(jù)擋風系數(shù)φ、迎風面寬與迎風各榀框架間距比值S/B、迎風框架榀數(shù)N 三個參數(shù)來查表獲得，查表時需要三次使用插值法。

設(shè)備與管線體型系數(shù)取值、擋風面積取值與采用綜合體型系數(shù)法時相同，但在風縱向作用時，一層、二層的設(shè)備和管線風荷載需要再乘以折減系數(shù)。最后在主導(dǎo)風向考慮構(gòu)件和附件、設(shè)備和管線的風荷載時，在另一個主方向宜考慮50%的構(gòu)件和附件的風荷載共同作用。

采用GB51006 算法的層間風荷載計算過程和結(jié)果見表4。

表4 GB51006 算法的層間風荷載計算

ηeFK2 (kN) 45 46 138 9 11 85 橫FK (kN) 153 225 369 54 92 122 縱FK (kN) 54 90 116 118 195 329

2.5 計算結(jié)果對比

表5 三種算法計算結(jié)果對比

根據(jù)表5 的計算結(jié)果對比，可見綜合擋風系數(shù)法算得的總風荷最大，SH/T3077算法在橫向降低10%、縱向降低24%，GB51006 算法在橫向降低12%、縱向降低33%。

分析SH/T3077 算法風荷載降低的主要因素有：

1) 多跨結(jié)構(gòu)的柱、梁、支撐考慮了體型系數(shù)的折減。

2) 多臺設(shè)備并列時考慮了體型系數(shù)的折減。

3) 對超過1.2m 直徑的設(shè)備未給出風荷載組合方法，計算時按比例換算后疊加。

4) 對于斜梯、設(shè)備支座等必要構(gòu)件，未給出風荷載考慮方法，計算時未考慮。 分析GB51006 算法風荷載降低的主要因素有：

1) 結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附件考慮了較大的體型系數(shù)折減。

2) 風縱向作用時，一層、二層的設(shè)備和管線風荷載折減非常多。

3) 對比結(jié)果中未考慮另一個方向50%的構(gòu)件和附件風荷載。

4) 未考慮構(gòu)架橫縱向布置的差異。

3 結(jié)論與建議

綜合擋風系數(shù)法計算過程簡單，風荷載考慮全面，綜合擋風系數(shù)在結(jié)構(gòu)整體軟件分析時使用便利。但該方法基本按實際擋風面積考慮，較少考慮相互間遮蔽，僅對風縱向作用時多臺設(shè)備的體型系數(shù)進行了折減，總風荷載計算偏保守。

SH/T3077 算法對框架部分風荷載的準確性有所提高，設(shè)備部分的計算比較簡便，得到的軸線節(jié)點風荷能良好地體現(xiàn)框架風荷載分布的不均勻性。但該方法沒有給出對斜梯、設(shè)備支座風荷載的考慮方式，對于大直徑設(shè)備如何疊加風荷載也沒有給出方法。規(guī)模較大時節(jié)點風荷的方式計算量較大，對于結(jié)構(gòu)整體軟件分析時使用較繁瑣。

GB51006 算法能更周全地考慮構(gòu)架空間布置，從而得到相對準確的整體體型系數(shù)，對設(shè)備的風荷載折減以及考慮非主方向風荷載參與共同作用的方法，使風荷載更加接近于實際狀態(tài)。但該方法未考慮構(gòu)架橫縱向的布置差別，計算過程較為復(fù)雜、系數(shù)比較多，有無支撐對中間層設(shè)備風荷載的折減影響較大，可能出現(xiàn)有支撐但折減后反而低于無支撐時的反常情況。

根據(jù)計算原理、案例計算和結(jié)果分析，這三種方法各有優(yōu)勢和劣勢：綜合擋風系數(shù)法適用于規(guī)模不大、設(shè)備不多、布置規(guī)則的冷換框架，使用時宜根據(jù)經(jīng)驗考慮一定的風荷載折減；SH/T3077 算法適用于結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則或設(shè)備布置不規(guī)則的冷換框架，使用時需要額外考慮到斜梯、支座、大直徑設(shè)備的風荷載；GB51006算法適用于規(guī)模較大、跨數(shù)較多、布置規(guī)則的冷換框架，使用時需要額外考慮橫縱向的差異，并對設(shè)備風荷載合理折減。