高聳結構風荷載的簡化計算

胡志廣

(賽鼎工程有限公司，山西太原 030032)

1 概述

塔設備是石油化學工業生產中必不可少的設備之一，塔設備特點一般都是瘦高細長，承受水平荷載較大，而塔基礎是支撐塔設備全部荷載的，所以塔基礎的設計就特別重要。對于聯合式塔基礎設計，目前尚缺少完善的計算軟件，都要靠設計人員手工完成計算，計算量較大，因而一種簡單易用的聯合塔基礎計算方法在實際工作中是很有必要的。

石油化工塔型設備基礎設計規范計算的幾種工況:1)正常操作;2)充水試壓;3)停產檢修;4)正常操作和地震同時作用;5)停產檢修和地震同時作用。

其中，充水試壓時風荷載不參與組合，僅計入基本風壓0．15 kN/m2風荷載;正常操作和地震同時作用時風荷載要參與組合，但組合系數取0．2。

塔基礎的設計至少應包括三個方面的內容:地基承載力的計算;地基穩定性的計算;基礎配筋計算。這三個方面的計算都涉及到了基底壓力pk，所以pk的計算分析清楚了，其他相關的計算都會迎刃而解。

基礎設計規范5．2．2條:

其中，Mk為相對于荷載效應標準組合時，作用于基礎底面的力矩值。

對于本文來說，試算時如果假定了基礎底面積及基礎埋深，則Fk，Gk，A，W已知，只有Mk即風荷載所產生的力矩值是未知的。

2計算原理

2．1 風荷載的計算

石油化工塔型設備基礎設計規范的風荷載計算公式:

式中:w0——基本風壓;

D0——包括保溫層在內的塔外徑尺寸;

μs——風荷載體型系數，規范統一取 μs=0．6;

μr——風的重現期調整系數，取 1．1;

μe——考慮欄桿梯子塔平臺附屬管線等的風荷載擴大系數;

μz——風壓高度變化系數;

βz——z高度處的風振系數，計算公式為 βz=1+ ξε1ε2。

2．2 風荷載的簡化計算

式(1)中μe按規范需查表選取，手算時較繁瑣，現采用統一的統計公式來算:

其中，h為操作平臺間距離。

式(2)的推導過程可參考徐至鈞編制的《高塔基礎設計與計算》一書。用式(2)計算的結果與規范的表格對比誤差很小，能滿足工程需求。

式(1)中βz的計算要用到塔設備的自振周期T1，建議T1的取用按《建筑結構荷載規范》附錄A:

βz的取用建議，當T1＜0．25 s時不考慮風振影響，即 βz=1;當 T1≥0．25 s時:

規范正文中風荷載高度變化系數μz均以表格形式給出，但建筑結構荷載規范的條文說明中給出了μz的定義說明及計算方法，對不同的地面粗糙度其計算公式如下:

由式(5)可看出μz是高度z的連續函數，對于任意z都有一個μz與其對應，我們在平時計算風荷載時，μz的取值均按荷載規范查表分段來計算，對于高度不大的結構來說，分段數不多，計算難度尚可，但遇到如高塔設備一類一般高度常在60 m，70 m以上的結構，仍按分段再疊加的方法計算風荷載，計算過程就顯得太過繁瑣，這里筆者利用式(5)中μz是高度z的連續函數這一特點，嘗試用積分的方法來計算風荷載，并得到一個統一的計算公式，以利于設計時編制簡單Excel表格或編制簡單計算小程序來減少計算工作量。

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

設μz的一般式為:。

則有:

對于任意高度截面處，風荷載產生的彎矩值為:

對本文，我們僅研究風荷載對基底產生的彎矩:

計算式(8)得:

其中，d為基礎埋深。

至此，風荷載在基底所產生的彎矩值就能通過一個簡單計算式(9)，代入原始數據后直接求得，不需要再按照以前分段再疊加的繁瑣方法來計算了。

3 結語

本文主要對塔型設備基礎設計時風荷載的計算做了詳細的推導簡化，減少了手算時的工作量。如此，風荷載對基底產生的彎矩僅需知道場地類別，塔體高度，塔體直徑，基礎埋深，基本風壓等簡單5個參數就可以直接代入公式算出，非常適合編制Excel表格來幫助計算。

［1］SH 3030-1997，石油化工塔形設備基礎設計規范［S］．

［2］石油化學工業部第一石油化工建設公司設計研究所．塔形設備基礎設計［Z］．

［3］徐至鈞．高塔基礎設計與計算［M］．北京:中國石化出版社，2001．

［4］GB 50135-2006，高聳結構設計規范［S］．

［5］GB 50009-2001，建筑結構荷載規范［S］．

［6］GB 50011-2001，建筑結構抗震設計規范(2008版)［S］．

［7］GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范［S］．

［8］趙明華．土力學與基礎工程［M］．武漢:武漢工業出版社，2005．

［9］GB 50010-2002，混凝土結構設計規范［S］．

［10］中石化北京石化工程公司．獨立鋼塔圓形基礎CAD系統計算說明［Z］．