自立钢烟囱新旧规范风荷载计算比较

刘杰，董罡，江航，袁庆军

（1.中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东青岛266071；2.中国石油锦西石化公司，辽宁葫芦岛125001）

自立钢烟囱新旧规范风荷载计算比较

刘杰1，董罡1，江航1，袁庆军2

（1.中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东青岛266071；2.中国石油锦西石化公司，辽宁葫芦岛125001）

GB50009-2012《建筑结构荷载规范》于2012年5月发布，10月正式实施。其内容与GB50009-2001《建筑结构荷载规范》（2006年版）变化比较大的是对风荷载计算的修订。因此笔者选取某炼油厂60 m自立钢烟囱为研究对象,按照2012版规范规定的风荷载计算方法,对该烟囱所受的风荷载进行了计算。并将计算结果与2006版规范的计算结果进行了比较分析，为工程设计人员正确应用2012版规范计算风荷载提供有益参考。

钢烟囱；风荷载；分析

工程设计条件：某炼厂中钢烟囱高度为60 m，上口外径2.1 m，底部外径3.6 m，坡度为1.25%，如图1所示。已知该地区基本风压为0.7 kN/m2，地面粗糙度类别为B类（基本风压和地面粗糙度类别一般在项目气象资料，自然条件中给出。若没有具体资料可以参考12版荷载规范附录E）。

1 计算模型假定及简图

（1）为便于计算，将烟囱沿高度平均分成三段（为提高计算精度，也可适当增加分段数量），每段高度为20 m。

（2）为简化计算，假定作用在每段烟囱上的风荷载效应沿高度方向简化为均布荷载（实际为梯形荷载，笔者取各段烟囱形心高度处的风压值为代表值）。

（3）烟囱计算简图

烟囱计算简图见图1。

2 2006版规范风荷载计算

（1）有关几何参数

第三段形心高度z=40+20/3×（2.6+2×2.1）/（2.6+ 2.1）=49.65 m,同理其它两段计算结果见表1。其中B为底部宽度3.6 m。

（2）风荷载体形系数

图1 烟囱计算简图（单位：mm）

表1 几何参数

根据《石油化工管式炉钢结构设计规范》SH/T 3070-2005附录B规定圆型烟囱体型系数μs=0.7。

（3）风压高度变化系数

按照地面粗糙度为B类，由《荷载规范》表7.2.1可查得不同高度z处的风压高度变化系数见表2。

表2 风压高度变化系数μs和脉动影响系数v

（4）风振系数

烟囱的自振周期应按照《石油化工管式炉钢结构设计规范》附录B计算，也可以采用《荷载规范》附录E中的简化公式T1=0.013H=0.013×60=0.78 s＞0.25 s，故需考虑风振影响。

对自立式高耸结构在z高度处的风振系数βz可按《荷载规范》式（7.4.2）计算，根据7.4.3条可求得脉动增大系数ζ。查表7.4.3得脉动增大系数ζ=2.256。

由H=60 m和地面粗糙度B类从《荷载规范》表7.4.4-1查得脉动影响系数v=0.88。烟囱顶部直径与底部直径比为2.1/3.6=0.58，查《荷载规范》表7.4.4-2求得修正系数θv=1.55，修正后的脉动影响系数见表2。

烟囱顶部直径与底部直径之比为0.58，查《荷载规范》附录F中表F.1.3得到各段形心高度处第1振型系数φz见表3。根据《荷载规范》式（7.4.3）风振系数计算结果见表3。

表3 风振系数计算

（5）计算各段风荷载和集中力

根据《荷载规范》式（7.1.1）Wk=βzμzμsW0，各段集中力Pk=WkA，A为各段迎风面积。计算结果见表4。

表4 风荷载标准值计算

（6）底部截面产生的剪力和弯矩标准值

Vk=35.9+59.0+72.8=167.7 kN

Mk=35.9×9.75+59.0×29.71+72.8×49.65= 5 717.4 kN·m

（7）判别是否考虑横向风振

根据《荷载规范》，当结构沿高度截面缩小时（倾斜度不大于0.02），可近似取2/3高度处的风速和直径，则在2/3H=2/3×60=40 m处，D=2.6 m，式（7.6.1-3）μH=1.56，据7.6.1条判断是否考虑横向风振。

据式（7.6.1-3）

根据《荷载规范》7.6.1条第3款规定不考虑横向风振。

3 2012版规范风荷载计算

风压高度变化系数μz的值2012版规范有所调整，调整后值见表5。几何参数、体型系数μs没有变化，结果见表6。

（1）风振系数

根据《新荷载规范》式（8.4.3）

表5 修正后的背景分量因子Bz

表6 风荷载标准值计算

式中：g=2.5，I10=0.14（地面粗糙度为B）

①计算参数x1，R的值

式中：kw=1.0，w0=0.7，f1==1.28，x1=

式中：x1＞5；ξ1=0.02（有内衬钢烟囱）。

②计算参数BZ的值

式（8.4.6-2）ρx=，B为迎风面宽度，根据8.4.6条3款规定可取ρx=1。

式（8.4.6-1）ρz=其中H= 60，代入后得ρz=0.783。

式中：k=0.91；α1=0.218。

由式（8.4.6-2），（8.4.6-1），（8.4.5）得Bz=0.125。

根据8.4.7规定，查附录G，表G.0.4可得

φ1（9.75）=0.05，φ1（29.71）=0.29，φ1（49.65）=0.69，根据荷载规范8.4.5条第2款规定背景分量因子Bz应乘以修正系数θB、θv，修正后的结果见表5。

将以上计算的参数代入式（8.4.3）βz=1+2g I10βz计算结果见表6。

（2）计算各段风荷载和集中力

根据新《荷载规范》式（8.1.1-1）Wk=βzμzμsw0，各段集中力Pk=WkA，A为各段迎风面积。计算结果见表6。

（3）底部截面产生的剪力和弯矩标准值

Vk=37.9+59.7+71.3=168.9 kN（167.7）

Mk=37.9×9.75+59.7×29.71+71.3×49.65 =5 683.3 kN·m（5 717.4）

（4）判别是否考虑横向风振

计算过程同2006版荷载规范。

4 计算结果比较

第1段剪力值比2006版荷载规范计算值略大（37.9-35.9）/35.9=5.6%；

第2段剪力值比2006版荷载规范计算值略大（59.7-59）/59=1.2%；

第3段剪力值比2006版荷载规范计算值略小（71.3-72.8）/72.8=-2.1%；

总剪力值比2006版荷载规范计算值略大，增大约（168.9-167.7）/167.7=0.7%；

总弯矩值比2006版荷载规范计算值略小，减小约（5 683.3-5 717.4）/5717.4=-0.6%。

5 结语

2012版规范风荷载计算风压值在结构初始端有所增大，结构末端风压值有所减小。风压值沿高度梯形分布的最大值和最小值的差值有所减小。所以不能笼统的认为，新规范计算的值就比旧规范值大。本工程实例中新规范计算的总剪力值比原先稍大，总弯矩值比原先稍小，总风荷载效应变化均不足1%，基本可以忽略。需要引起注意的是：以上结论是在不需考虑横风风振的条件下得出的,若需考虑计算横风风振时，应按2012版规范采用三种组合工况（详见规范8.5.6条款），而2006版规范简单的采用了组合方式。因此在遇到此类情况时，应当计算横风荷载，并验算三种工况下荷载效应。

（注：1.2006版规范、旧规范均指GB50009-2001（2006年版）建筑结构荷载规范。2.2012版规范、新规范均指GB50009-2012建筑结构荷载规范）

Comparison of Wind Load Calculation for New and Old Standard of Individual Steel Stack

LIU Jie1,DONG Gang1,JIANG Hang1,YUAN Qingqun2
（1.East-China Design Branchof China Petroleum Engineering&Constrction Corp.,Qingdao 266071,China; 2.Petrochina Jinxi Petrochemical Company,Huludao 125001,China）

GB50009-2012"Load Code for the Design of Building Structures"was released in May 2012 and implemented in the October.The many changes are the revision ofwind load calculation comparing GB50009-2001"Load Code for the Design of Building Structures"（2006 Edition）.Therefore,the author selected a 60 meters steel stack as an example,according to the 2012 edition code specified wind load calculation method,the stack of the wind load was calculated.The calculation results were compared with the results calculated by the 2006 edition code,which provided a useful reference for the engineering designers to use the 2012 edition code to calculate the wind load.

steelstack;wind load;analysis

TF066.3+2

A

1001-6988（2016）06-0046-03

2016-07-08

刘杰（1976—），男，高级工程师，主要从事工业炉钢结构设计工作.