高耸结构风荷载的简化计算

胡志广

(赛鼎工程有限公司，山西太原 030032)

1 概述

塔设备是石油化学工业生产中必不可少的设备之一，塔设备特点一般都是瘦高细长，承受水平荷载较大，而塔基础是支撑塔设备全部荷载的，所以塔基础的设计就特别重要。对于联合式塔基础设计，目前尚缺少完善的计算软件，都要靠设计人员手工完成计算，计算量较大，因而一种简单易用的联合塔基础计算方法在实际工作中是很有必要的。

石油化工塔型设备基础设计规范计算的几种工况:1)正常操作;2)充水试压;3)停产检修;4)正常操作和地震同时作用;5)停产检修和地震同时作用。

其中，充水试压时风荷载不参与组合，仅计入基本风压0．15 kN/m2风荷载;正常操作和地震同时作用时风荷载要参与组合，但组合系数取0．2。

塔基础的设计至少应包括三个方面的内容:地基承载力的计算;地基稳定性的计算;基础配筋计算。这三个方面的计算都涉及到了基底压力pk，所以pk的计算分析清楚了，其他相关的计算都会迎刃而解。

基础设计规范5．2．2条:

其中，Mk为相对于荷载效应标准组合时，作用于基础底面的力矩值。

对于本文来说，试算时如果假定了基础底面积及基础埋深，则Fk，Gk，A，W已知，只有Mk即风荷载所产生的力矩值是未知的。

2计算原理

2．1 风荷载的计算

石油化工塔型设备基础设计规范的风荷载计算公式:

式中:w0——基本风压;

D0——包括保温层在内的塔外径尺寸;

μs——风荷载体型系数，规范统一取 μs=0．6;

μr——风的重现期调整系数，取 1．1;

μe——考虑栏杆梯子塔平台附属管线等的风荷载扩大系数;

μz——风压高度变化系数;

βz——z高度处的风振系数，计算公式为 βz=1+ ξε1ε2。

2．2 风荷载的简化计算

式(1)中μe按规范需查表选取，手算时较繁琐，现采用统一的统计公式来算:

其中，h为操作平台间距离。

式(2)的推导过程可参考徐至钧编制的《高塔基础设计与计算》一书。用式(2)计算的结果与规范的表格对比误差很小，能满足工程需求。

式(1)中βz的计算要用到塔设备的自振周期T1，建议T1的取用按《建筑结构荷载规范》附录A:

βz的取用建议，当T1＜0．25 s时不考虑风振影响，即 βz=1;当 T1≥0．25 s时:

规范正文中风荷载高度变化系数μz均以表格形式给出，但建筑结构荷载规范的条文说明中给出了μz的定义说明及计算方法，对不同的地面粗糙度其计算公式如下:

由式(5)可看出μz是高度z的连续函数，对于任意z都有一个μz与其对应，我们在平时计算风荷载时，μz的取值均按荷载规范查表分段来计算，对于高度不大的结构来说，分段数不多，计算难度尚可，但遇到如高塔设备一类一般高度常在60 m，70 m以上的结构，仍按分段再叠加的方法计算风荷载，计算过程就显得太过繁琐，这里笔者利用式(5)中μz是高度z的连续函数这一特点，尝试用积分的方法来计算风荷载，并得到一个统一的计算公式，以利于设计时编制简单Excel表格或编制简单计算小程序来减少计算工作量。

通过式(2)～式(5)的分析，式(1)中除μz外，其余参数都可作为常数，假设:

设μz的一般式为:。

则有:

对于任意高度截面处，风荷载产生的弯矩值为:

对本文，我们仅研究风荷载对基底产生的弯矩:

计算式(8)得:

其中，d为基础埋深。

至此，风荷载在基底所产生的弯矩值就能通过一个简单计算式(9)，代入原始数据后直接求得，不需要再按照以前分段再叠加的繁琐方法来计算了。

3 结语

本文主要对塔型设备基础设计时风荷载的计算做了详细的推导简化，减少了手算时的工作量。如此，风荷载对基底产生的弯矩仅需知道场地类别，塔体高度，塔体直径，基础埋深，基本风压等简单5个参数就可以直接代入公式算出，非常适合编制Excel表格来帮助计算。

［1］SH 3030-1997，石油化工塔形设备基础设计规范［S］．

［2］石油化学工业部第一石油化工建设公司设计研究所．塔形设备基础设计［Z］．

［3］徐至钧．高塔基础设计与计算［M］．北京:中国石化出版社，2001．

［4］GB 50135-2006，高耸结构设计规范［S］．

［5］GB 50009-2001，建筑结构荷载规范［S］．

［6］GB 50011-2001，建筑结构抗震设计规范(2008版)［S］．

［7］GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］．

［8］赵明华．土力学与基础工程［M］．武汉:武汉工业出版社，2005．

［9］GB 50010-2002，混凝土结构设计规范［S］．

［10］中石化北京石化工程公司．独立钢塔圆形基础CAD系统计算说明［Z］．