电厂管道的风荷载计算

朱学成，吴 斌(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)



电厂管道的风荷载计算

朱学成，吴 斌
(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

摘要：在电厂露天管道偶然荷载的计算中，应考虑风荷载的影响。本文对现有电厂管道设计规范中有关风荷载的规定进行梳理，通过对各国风荷载规范的比较，指出我国电站管道规范风荷载计算中可能存在的问题，并提出适用于电厂管道风荷载的计算建议。

关键词：风荷载；规范；基本风速；风振响应。

近年来，随着海外工程特别是近海岸工程的增多，以及国内电站向着大机组高容量发展，主要烟风汽水管道高度和外形尺寸的增大，管道对于风荷载影响的敏感性大大增强。有必要对国内电站管道相关规范中风荷载条文进行梳理、掌握国际主流规范与国内规范的异同，使设计人员能够正确使用规范进行工程设计。本文从实际电站工程的应用角度出发，通过对国内外主要风荷载规范进行比较，分析将国内相关规范应用到涉外工程的可行性，并针对电站工程管道风荷载的计算提出具体建议。

1　设计风压与基本风压

电站管道受到的荷载可根据作用时间长短分为持续荷载和偶然荷载，其中偶然荷载包括风荷载、冰雪荷载、地震荷载、水锤力和排汽反力等。风荷载引起的振动是随时间不确定的随机振动，在工程应用中一般采用等效静力法简化分析，垂直于管道表面的风荷载标准值为：

式中：βz为风振系数；μs为体型系数；μz为高度系数；w0为基本风压。

基本风压w0是风荷载设计输入的基本参数，国内电站管道规范均参考《建筑结构荷载规范》 ，详细对比见表1。

表1　国内电站管道规程中基本风压的定义

各国在制定风荷载规范时，基本风速和风压涉及到标准离地高度、最大风速重现期、平均风速时距、地貌类别、最大风速样本和最大风速概率分布类型等6项定义，见表2。

表2　各国规范中基本风速影响因素对比

为确定设计风速，必须规定重现期和确定年最大平均风速的概率分布。重现期即最大风速重复出现的时间间隔，重现期越长安全性越高。我国规范给出各地重现期分别为10年、50年和100年的风压值，重现期为R年的风压值可按wR=w10+(w100- w10)(InR/In10-1)确定，温度t气压p时的空气密度可由ρ=1.276×10-8(p -0.378pv)/(1+0.00366t)计算，式中pv为水蒸气分压，也可按ρ=0.00125e- 0.0001z进行估算，其中z为海拔高度。常用的概率分布模型有极值I型、极值II型和韦伯分布，目前大多数国家均采用极值I型分布函数。

从表2中可以看出各国对基本风速的定义和统计方法基本一致，但平均风速时距存在区别，体现出各国对不同类型风荷载考虑的侧重：10 min和60 min时距反映的是平均风速，适合描述寒潮、季风等大范围的风；3 s时距反映的是阵风风速，适合描述雷暴风、风暴等小范围的风。不同时距基本风速平均比值可通过：v60min∶ v10min∶ v3s=0.94 ∶ 1∶ 1.42进行换算。值得注意日英澳还根据本国不同地域给出风向的修正系数，而中美规范中无此规定。

2　体型系数

风荷载大小受到不同管道体型的直接影响，体型系数定义为风作用在管道上所引起的实际压力与来流风速度压的比值，描述管道表面在稳定风压作用下静态压力的分布规律，受管道体型和尺度，以及地面粗糙度和周围环境的影响。当管道与其它结构较近时，由于旋涡的相互干扰，某些部位的局部风压会显著增大，一般用单管的体型系数乘以干扰系数进行修正。国内电站管道规程均给出了上下双管、前后双管、前后多管的体型系数，其中规范[2，3]数值相同，稍高于规范[1，4]，并列出了单管体型系数。此外规范[2]还列出了方管的体型系数。

国外风荷载规范针对多管组合的体型系数条文较少，但对单个圆形或矩形构筑物按不同长宽比或细长比、表面情况等做了更加细致的划分。国内电站管道规范的体型系数均按同等条件下的最不利情况取值，设计偏保守，体现了电站设计安全系数较高的特点。

3　高度系数及地面粗糙度

高度和地面情况对于风速的影响可分为两个方面：特殊地形的影响和高度地形的影响。

规范[1]～[3]中考虑了盆地、山谷口、海岸距离等特殊地形对风压的修正系数，其中规范[1]还给出山峰和山坡处的修正系数计算公式。美国规范中考虑了山坡影响，但没有考虑山区和海岸的影响。澳大利亚规范中进一步考虑了群建筑物间的遮挡折减系数，并给出了适用于一定距离范围内地面粗糙度变化时的加权系数计算方法。

由于地表摩擦对风速的影响随着高度而减小，这种平均风速随高度而逐渐增加的变换关系称为平均风速剖面，各国规范中最常用的平均风速剖面公式有指数型和对数型，并根据不同地貌类别给出系数。而英国规范中考虑了城乡、上风向距海岸距离、建筑物外形比例等因素，与其他国家的规范没有简单的对应关系。

表3　高度z及地面粗糙度对风速的修正

从表3看出美国规范的系数最小，中国规范中的取值偏保守。国内电站管道规范均按地面粗糙度类别给出高度变化系数表，其中规范[2]因为引用的规范版本较早，将地面粗糙度类别为3类，规范[3，4]的地面粗糙度类别均为4类。

4　风振系数

风速在大气层中受到各种因素的影响而呈现随机脉动性，由脉动风引起的管道振动随管道自振周期的增加而增强。由于脉动风产生的结构动效应的求解过程对于工程设计过于复杂，一般将风致动力效应应用风致静力效应来等效表达，工程上将平均风与脉动风共同作用的总响应与平均风产生的相应之比称为风振系数。

在国内电站管道规范中规范[2，3]未考虑风振系数，而规范[4]沿用了规范[1]的较早版本，将风振系数分解为脉动增加系数和为脉动影响系数，再分别根据基本风压与自振周期，以及高度与地面粗糙度查表求得。

各国规范对风振系数的一般公式为βz=1+2gI10(B+R)0.5，式中g为峰值因子，I10为10 m高湍流强度，B和R分别为背景分量因子和共振分量因子。此公式优点在于概念明确，对于刚度较大的管道可只用背景影响系数计算等效风荷载，因此我国新版规范[1]舍弃了旧版公式而采用此公式定义风振系数，但对部分系数的选取还需斟酌。如峰值因子取为2.5，而其它国家规范的峰值因子通过计算在3.4～4间。各国对湍流强度均以幂函数Iz=c(z/10)- d定义，其中c，d均是依赖于地形的参数，各国的取值见表4，我国规范在新版本中对湍流强度的取值稍有提高，但对比其他国家仍明显偏低，计算结果也比其他国家略小。

表4　湍流强度的特征参数

各国规范中风振系数的使用条件见表5，中国规范要求考虑脉动风的范围较宽，设计偏保守。而管道规范[4]中没有给出使用范围，降低了规范实际应用的可操作性。还应值得注意在各国风荷载规范中风振系数的研究均以竖向悬臂型结构为对象，是否适用于与附近结构紧密耦合的电站管道还需深入研究。

表5　风振系数的使用条件

除顺风向风荷载外，露天管道由于空气涡流脱落等原因还可能产生与风向垂直的横风向风振。对于电站汽水管道Re数均小于3.5×106，可不考虑横风共振；而对于大尺寸烟风管道Re数有可能稍高于3.5×106，但大尺寸烟风管道道多水平布置，下方支架在对管道附近气流产生扰动的同时也限制了管道振动；而且在烟风道加固肋设计时已考虑了烟风道壁面的振动影响。因此在电站管道计算中忽略横向风振的影响是可行的。

5　管道的风荷载计算

研究管道风荷载的计算方法最终是为了合理地进行支吊架和加固肋设计，这与建筑物设计中还需要考虑风荷载对于整栋建筑物的基础有所区别。管道支吊架上的风荷载包括以集中力形式承受的管道风荷载，以及支吊架根部结构本身所受的风荷载，前者在支吊架上的分配可按静力矩平衡法计算，而后者的影响在电站管道设计中通常可以忽略。而加固肋设计可按照规范[2]的要求考虑风荷载的当量压力。

各国所考虑的风荷载影响因素基本一致，但对具体公式和参数的选取，以及对部分修正因素的考虑上仍有区别。我国规范对基本风速的定义和统计方法与各国相一致，对体型、高度及地面粗糙度的影响考虑偏保守，而对风振影响的考虑可能还存在一定问题。

目前国内电站管道各规程对于风荷载计算的要求各有不足。从工程角度出发，建议仅对大尺寸的电站管道采用静力法进行简化计算：按规范[3]计算基本风压、圆管体型系数、高度及地面粗糙度影响；按规范[2]计算方管体型系数；同时忽略支吊架风荷载，按规范[11]计算风荷载在各支吊点的分配，

表6　电厂管道风荷载的计算

表6中计算不同工程两个风管道的风荷载，将计算段在固定支架处分开简化为双支撑管道，相关系数按照最新版规范选取，迎风面积和体型系数的计算考虑了热管道保温层的影响。根据计算结果可以看出：(1)由于电厂多建造在A、B类地形区域，风压高度变化系数对风荷载的影响较大，随高度的变化也比较明显；(2)管道介质种类不仅影响风荷载计算中的迎风面积和管道截面特性参数的计算，还会因为钢管和保温层表面粗糙度的不同影响体型系数的选取；(3)风振系数对风荷载的计算不应简单忽略；(4)在基本风压较高的工程中，风荷载相比管道、尤其是风管道的自重不应被忽略，但相对于支吊架可承受的荷载仍然很小，由于计算中各参数的选择均按较保守的情况考虑，因此只要按照最新规程适当设置支架，通常即可满足防风要求。在要求较高的设计中，由于走向复杂、支吊类型和数量都比较多，电站管道的自振周期计算繁杂，按规范[1，4]计算风振系数的可操作性不强，建议采用CAESARII等软件进行相关计算。

6　结论

各国风荷载规范均采用等效静力法，在基本风压基础上，考虑体型、风振系数、高度及地面粗糙度等因素进行修正。

各国的基本风速定义基本一致，重现期、时距等基本参数可通过公式进行换算。中国规范在体型系数较简略，但均按照同等条件下的最不利情况取值；各国对高度系数及地面粗糙度的规定各有侧重，中国的取值偏保守；中国规范已改用各国通用的脉动风速计算公式，虽然对湍流强度的取值稍低，但管道模型和振型系数等参数均按照最不利情况选取，得到的计算结果偏保守。

在国内电站管道规范中对于基本风压、体型系数的要求可以满足基本设计要求，但部分参数的选取应根据最新规范[1]适当调整。对电站设计中复杂管道风振系数的选取，现有规范中计算方法的可操作性较差，计算模型也有待完善，可以采用成熟软件进行动态计算。

参考文献：

[1]GB 50009-2012，建筑结构荷载规范[S]．

[2]DL/T5121-2000，《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》配套设计计算方法[S]．

[3]GB50764-2012，电厂动力管道设计规范[S]．

[4]GB/T 20801．3-2006，压力管道规范——工业管道 第3部分：设计和计算[S]．

[5]ANSI/ASCE 7-95，ASCE Standard- minimum Design Loads for Buildings and Other Structures [S]．

[6]Architectural Institute of Japan，AIJ Recommendations For Loads On Buildings[S]．

[7]BS 6399-2:1997，Loading for Buildings．Part 2: Code of Practice for Wind Loads [S]．

[8]AS/NZS 1170．2:2002，Australian/New Zealand Standard –Structural design actions，Part 2: Wind actions[S]．

[9]张相庭．工程结构风荷载理论和抗风计算手册[M]．上海：同济大学出版社，1990．

[10]洪小健，顾明．顺风向等效风荷载及响应-主要国家建筑风荷载规范比较[J]．建筑结构，2004，34(7)．

[11]DL/T5121-2000，火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程[S]．

Wind Load Calculation for Power Plant Conduit

ZHU Xue-cheng, WU Bin
(Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

Abstract:Influence of wind load should be considered in the accidental load calculation for power plant outdoor piping. With the comparison the various counties wind load codes, it seems that there are several points that must be paid attention to Chinese power plant codes on wind loads. A recommended calculation method on wind load is presented for the design power plant piping.

Key words:wind load; code; basic wind velocity; wind induced vibration response.

中图分类号：TM621

文献标志码：B

文章编号：1671-9913(2016)01-0034-04

* 收稿日期：2015-06-17

作者简介：朱学成(1979- )，男，江苏南京人，博士，高级工程师，主要从事电厂设计工作。