Staad Pro在高架火炬結構分析中的應用

周軍，盧嬌

（霍尼韋爾中國有限公司，上海 201203；中國聯合工程公司，浙江 杭州 310052）

0 前 言

STAADPRO(Structural Analysis And Design結構分析和設計)是美國BENTLEY公司在收購REI之后在原有軟件基礎上升級推出的一款結構工程分析軟件。它不但適用于普通工程設計，也廣泛應用于超高層建筑物、管路、化工廠車間、隧道、橋梁和特種結構的結構計算。其核心算法涵蓋經典力學方法和現代有限元理論，可以完成非線性、屈曲、諧響應、瞬態響應分析等高級計算功能。軟件自帶友好的圖形界面和完善的后處理人機交互功能，是國際上結構設計領域里得到廣泛認可的通用受力分析與結構設計工具。在國內，一些大型設計院和外資設計公司經常應用STAADPRO對一些復雜高層結構、大跨度結構進行受力分析，或者作為對常規工程應用PKPM計算后的補充計算和校核。因為對力學概念的清晰表達和重視，使其在應用于特種結構尤其是鋼結構和空間結構的力學分析時具有很大的優勢。

1 火炬塔架項目概況

本項目可拆卸高架火炬項目位于寧夏寧東化工基地，塔架結構基底為正方形，邊長21m，總高144m。采用鍍鋅鋼管三角形空間桁架結構。設計基本風壓0.65kPa(重現期50年)，抗震設防基本烈度8度。考慮到結構模型中存在很多平面外斜向支撐桿件，用PKPM進行建模分析存在潛在困難，且效率不高，于是決定采用STAADPRO建模分析配合SSDD作為對中國鋼結構規范的校核。

2 力學模型

STAAD PRO桿元結構的建模方法主要有直接建模法、DXF導入法和腳本語言法。

直接建模法適用于標準層比較多的結構，例如各類工業與民用建筑。先在STAADPRO中建立軸網，在軸網上按層依次布置梁柱單元，再對標準層單元沿高度方向根據標高分布進行復制，最后進行局部調整從而形成整體模型。這種建模方法的缺點是對于標準層尺度沿高度漸變的塔架結構空間定位比較困難。

對于火炬塔架這種層平面沿高度漸變的復雜空間結構，利用Autocad強大的三維畫線功能作為前處理建模平臺，通過DXF文件導入模型到力學計算軟件的方法是比較方便的。在模型互導過程中程序會提示選擇合適的量綱，此時應注意尺度單位需要與Autocad建模時采用的單位一致。

模型導入后需應用[幾何]-[打斷]命令將所有桿件在節點處打斷，否則這些桿件在節點處無法作到變形協調。這種方法在導入過程中可能會導致重復節點、重復桿件等問題，尤其當結構構件過多、且結構形式復雜時，會使問題更加突出。所以在進行進一步的建模工作前，應使用工具菜單下的[重復]檢查功能，對模型中重復的節點桿件進行合并刪除，以避免在模型分析中產生各種莫名奇怪的錯誤輸出。

STAADPRO的核心腳本語言文件STD文件包含了除數值算法之外的所有的模型數據信息。從理論上講，直接編輯該文件可以完全替代所有的STAADPRO界面操作，設計人員只要熟悉STD腳本語言的格式和表述方法，并具有一定的編程能力，就可以用程序語言構建整個計算模型。但是程序代碼畢竟不直觀，完全依靠坐標代數來構建空間幾何準確性不高，其效率也比DXF導入要低很多。因此直接修改腳本文件通常只應用于后期模型調試與控制。

3 荷載輸入

火炬塔架主要承受自重荷載、風荷載、地震荷載和裹冰荷載，其中風荷載起主導控制作用。傳統的風荷載輸入方法是把風壓力（面荷載）按照支撐結構的從屬面積分配到梁柱撐上，按構件線荷載或者節點荷載的方式輸入模型。當塔架結構構件比較多時，這種方法是非常費時費力的。STAADPRO 8i提供了一種對風荷載進行定義的方法以減輕模型編輯的工作量，命令流如下：

DEFINEWINDLOAD

TYPE 2 ASCE 7 TRUSSEDTOWER

*EXPOSUREC,TOTAL Cf ONSTEEL,

ASCE-7-2010:PARAMS 104.410 MPH 5 2 1 0 0.000 FT 0.000 FT 0.000 FT 1-

……

利用上面的命令流，STAADPRO可以根據邊界支撐條件對風荷載自動進行導荷，大大地節約了建模的時間，同時避免了繁雜的人為輸入造成的錯誤。

3.1 橫風向共振等效靜力風荷載

風吹過圓形截面桅桿結構，由于風來流的局部制動在尾流交替的旋渦脫落，稱為Karman渦流。這些渦流在結構兩側不斷脈動，從而產生橫向風振干擾力。

火炬筒由于支撐在火炬塔架上，跨度直徑比一般比較小，超臨界強風震動一般不會發生在第一振型周期；但是應當注意檢查第二振型的周期雷諾數范圍及產生的動力荷載，當可能發生橫風震動時應該調整火炬筒支撐距離以避免共振發生。

3.2 支座邊界條件

火炬塔架的柱底彎矩一般都比較大，考慮到地腳錨栓的剛度，一般都按照剛性支座設定邊界條件。這種假定對柱腳和底部柱端的設計都是偏保守和足夠安全的。但是柱腳在實際工作中由于錨栓的變形會產生一定的扭轉，從而增大了上部結構的側向位移和P-△二階效應，這種效應對上部結構的變形和彎矩是偏不利的。考慮到這種柱腳受力的半鋼性特點，建議采用兩種可能的邊界條件假設，進行包絡設計。

火炬塔架每層之間都布置“人”字形斜撐以提供抗側剛度。主斜撐的兩端均采用多排鍍鋅高強螺栓和節點板作為緊固連接。由于高強螺栓和節點板鍍鋅后抗滑移性能都有所下降，斜撐端點邊界條件在平面內的轉動約束折減為0.8，平面外的轉動約束保守取0.0。對于一些次要斜撐，其主要作用是對主斜撐起到支撐作用，可以用STAADPRO中的TRUSS單元進行模擬，只考慮桿件的軸向剛度和平動約束。

4 結構分析

由于高架火炬是石化工藝流程安全的關鍵設備，火炬失效有可能造成有毒物質巨量泄露，造成重大人員傷亡。《石油化工企業排氣筒和火炬塔架設計規范》（SHJ29-1991）要求，火炬塔架的設計安全等級為一級，相當于各種荷載組合效應應放大1.1倍。

火炬塔架底部柱子一般直徑比較大、壁厚大約在30～50mm。參考鋼結構設計規范，對壁厚大于16mm的結構構件設計強度應予以折減。Q235鋼的屈服強度較低，從而使計算材料壁厚大，折減系數高，材料性能不能得到充分發揮。因此采用屈服強度高的Q345低碳合金鋼，對材料的重復利用和節約造價都是有利的（Q235的抗震延性要好于Q345,但是塔架結構設計一般較少由地震工況控制）。

鋼結構設計的核心問題是構件的強度、變形和穩定問題。根據石化塔架經驗，火炬塔架在風荷載作用下的頂部位移值應控制到1/200,相當于簡支構件跨中撓度1/400以內。這樣的變形值能夠滿足工藝管道專業對支撐位移要求，由結構自重產生的P-△二階效應也比較小，對結構的整體穩定比較有利。

鋼結構受壓構件的失穩是絕大多數鋼結構破壞的根本原因，也是缺乏經驗的設計人員容易忽視的地方。受壓桿件的失穩主要由P-δ 和P-△效應造成。由于45°斜撐能夠提供很強的側向剛度，框架的剪切變形實際很小，由塔架層間側移而產生的效應因此可以忽略不計。對于P-δ 穩定設計，一般采用計算長度系數法。火炬塔架通常利用斜桿抵抗水平力，和梁柱共同組成強支撐框架。而橫桿和斜桿在柱子上的連接在許多位置采用了弱連接，柱端對彎矩的約束較弱，可以按無側移框架進行設計。在STAADPRO中，層間柱子的計算長度系數按保守值取KY=1.0、KZ=1.0。

5 分析結果

5.1 控制位移和應力比

塔架在風荷載作用下頂部水平位移為426mm,按照SHJ 29-1991對塔架頂部位移的限制要求，火炬塔架在標準風荷載的作用下，頂部水平位移應小于塔架總高度的1/200，因而計算結果對結構位移的限制是滿足的。底部主柱的應力比最大值為0.8<1.0，考慮到環境腐蝕裕度，施工誤差和主柱的冗余度，對主柱極限承載力留有0.2的裕量是必要的。

5.2 動力分析

塔架結構的動力分析采用反應譜法，塔架自振第一、第二周期為塔架結構在兩個方向的平動基本自振周期。塔架結構在各層的平面投影為正方型，因而在兩個側向基本周期比較接近。但是，由于沒有剛性樓板來協調同層變形，塔架各層質量體容易產生自振的各向性，在振型組合時應保證截取組合值多于90%質量參與的振型數量進行組合，才能正確反應出塔架整體的動力特性。

塔架結構振型和質量參與 表1

6 設計理念的差異

STAAD.PRO是一款功能強大的有限元結構分析軟件，也可以被看做是美國工程計算軟件的一個代表。但是該軟件設計理念與中國軟件不是很一致。從軟件的具體應用來看，美國軟件非常強調工程師對力學概念的準確把握。模型建立過程之中工程師必須手動完成單元選取、荷載導荷、邊界條件確認等關鍵操作。工程師必須對結構整體的力學特性和受力傳導非常清楚才能建立起正確的計算模型，而軟件只是方便大規模矩陣運算的數值計算工具。

在國內，很多工程師已經習慣了PKPM的建模方式，主要按層平面輸入幾何信息、荷載信息，然后由程序自動完成導荷、設計、出圖。這種設計方法的優點是工程設計周期短、效率高，往往由一個設計者從頭到位完成一個設計項目。其負面作用是忽視了人在設計過程中的互動思考作用，軟件過程過于傻瓜，軟件存在很多內部的暗箱操作，容易使設計人員失去對結構整體受力特性的判斷與控制，成為純粹的制圖人員。

7 結 語

寧煤高架火炬是筆者公司在西北能源基地首次采用可拆卸式的高架火炬項目。從目前項目建設看，這項工作達到了預定的設計目標。也證明了STAADPRO作為一款原生于美國的工程計算軟件，在有經驗的工程師的有效控制下，能夠很好的滿足中國工程設計的技術要求。然而，無論是軟件還是規范條文，都必須經過操作者的合理運用才能獲得正確的分析結論。有限元分析作為計算科學長期發展的結晶，無疑為工程實踐提供了有力的工具和支持。但是，擁有清晰的力學概念，能夠正確對程序的結果進行甄別與判定，才是一個優秀工程師應有的核心價值。

[1]GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃工業出版社,2003.

[2]SHJ 29-91，石油化工企業排氣筒和火炬塔架設計規范[S].北京：中國石化出版社,1992.

[3]李曉峰，孫立夫，林潤松.STAADPRO在鋼結構穩定設計中的應用[Z].

[4]包欣.STAADPRO空間分析程序在鋼結構設計與分析中的應用[J].城市建設理論研究，2011(15).