水平荷載作用下塔型設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算

楊進(jìn)宏

（包頭市建設(shè)工程施工圖審查中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

水平荷載作用下塔型設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算

楊進(jìn)宏

（包頭市建設(shè)工程施工圖審查中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

本文就塔型設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中水平荷載計(jì)算進(jìn)行闡述，使設(shè)計(jì)者能夠掌握塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工程中的關(guān)鍵點(diǎn)，加深對(duì)塔基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí).

塔型設(shè)備；風(fēng)荷載；地震作用

塔型設(shè)備是石油化工、石油工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一.塔型設(shè)備由塔型設(shè)備本體、塔型設(shè)備附屬構(gòu)筑物（如操作平臺(tái)、欄桿、梯子、管線等）、支持塔型設(shè)備的基礎(chǔ)這三部分組成.塔基礎(chǔ)支持塔型設(shè)備的全部荷載（包括垂直荷載、水平荷載等），所以塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)非常重要，要求達(dá)到堅(jiān)固、適用、經(jīng)濟(jì)和合理.

塔型設(shè)備屬于高聳構(gòu)筑物，在高聳構(gòu)筑物計(jì)算中風(fēng)荷載和地震作用的計(jì)算尤為重要.在塔基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)使用中在結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載，按照承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載效應(yīng)組合.

表1 荷載組合表

通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn)在塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中無(wú)論何種工況的組合都少不了風(fēng)荷載.同時(shí)地震荷載在組合中往往起著決定性作用，《石油化工塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH3030-1997）中5.4.4列出了可不進(jìn)行截面抗震驗(yàn)算的幾種情況，說(shuō)明在這幾種情況下風(fēng)荷載起決定因素.本文重點(diǎn)討論風(fēng)荷載作用和水平地震作用的塔型設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算.

1 風(fēng)荷載

露天放置的塔型設(shè)備在風(fēng)力作用下，將在兩個(gè)方向上產(chǎn)生振動(dòng).一種是順風(fēng)向的振動(dòng)，振動(dòng)的方向與風(fēng)流向的一致，另一種是橫風(fēng)向的振動(dòng)，振動(dòng)方向與風(fēng)的流向垂直.前一種振動(dòng)是常規(guī)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，后一種振動(dòng)也稱風(fēng)誘發(fā)的振動(dòng)，在工程界以前較少予以重視，但現(xiàn)在對(duì)誘發(fā)振動(dòng)的研究日益受到重視，而在塔型設(shè)備設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮風(fēng)誘發(fā)的振動(dòng)已成為必然的趨勢(shì).

1.1 風(fēng)向風(fēng)荷載（常規(guī)風(fēng)荷載計(jì)算）

《石油化工塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH3030-1997）5.3.1條給出了塔風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的公式

在這里僅就公式中幾個(gè)系數(shù)計(jì)算須注意的問(wèn)題闡述如下：

（1）風(fēng)振系數(shù)βz

《石油化工塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH3030-1997）5.3.2條：當(dāng)塔型設(shè)備的基本自振周期T1≥0.25s時(shí)，應(yīng)考慮由脈動(dòng)風(fēng)引起的風(fēng)振影響

首先要計(jì)算塔體的自振周期，判斷是否需要考慮風(fēng)振影響.在SH3030-1997附錄A中給出了塔的自振周期計(jì)算公式，但都是針對(duì)壁厚δ1≤30mm的塔，對(duì)于我們現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的壁厚是δ2≥30mm的塔體的自振周期則沒(méi)有提及，這就要另外尋找合適的計(jì)算方法了.規(guī)范《鋼制塔式容器》（JB/T 4710-2005）是一本設(shè)備專業(yè)的規(guī)范，在這本規(guī)范中有計(jì)算塔式容器基本振型的自振周期：對(duì)于直徑和厚度不變的每段塔式容器質(zhì)量，可處理為作用在該段高度1/2處的集中質(zhì)量.

H：塔式容器高度，mm

m0：塔式容器的操作質(zhì)量，kg

（包括塔殼和裙座殼質(zhì)量，內(nèi)件質(zhì)量，保溫質(zhì)量，平臺(tái)扶梯質(zhì)量，操作時(shí)塔內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量，人孔、接管、法蘭等附屬件質(zhì)量，偏心質(zhì)量）

Et：設(shè)計(jì)溫度下材料的彈性模量，MPa

δe：圓筒或錐殼的有效厚度，mm

Di：塔殼內(nèi)直徑，mm

直徑、厚度相等塔式容器的第二振型與第三振型可分別近似取T2=T1/6，T3=T1/18.

我們可以對(duì)壁厚δ1≤30mm的塔分別用兩本規(guī)范的公式僅就圓筒（柱）式塔基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，做一下對(duì)比：

表2 T1計(jì)算對(duì)比

從表2可以看出一般設(shè)備規(guī)范計(jì)算出來(lái)的周期較塔基礎(chǔ)規(guī)范計(jì)算出的周期長(zhǎng).且絕大多數(shù)塔周期都是≥0.25s的.

（2）脈動(dòng)增大系數(shù)ξ

這個(gè)系數(shù)在《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50135-2006）上可以查出，但要注意兩點(diǎn)：

第一：對(duì)于ωoT2，對(duì)地面粗糙度B類可以直接代入基本風(fēng)壓，對(duì)于A類、C類、D類應(yīng)分別乘以1.38、0.6和0.32.

第二：結(jié)構(gòu)類別應(yīng)選擇無(wú)維護(hù)鋼結(jié)構(gòu)這項(xiàng).

⑶振型、結(jié)構(gòu)外形的影響系數(shù)ε2

訪談對(duì)象是西北民族大學(xué)2012級(jí)藏語(yǔ)言文學(xué)專業(yè)個(gè)別同學(xué)和2011級(jí)藏語(yǔ)言文學(xué)3班（師范類）部分同學(xué)，通過(guò)滾雪球的方式選擇了10位同學(xué)，由于訪談資料中有些問(wèn)題涉及個(gè)人隱私，因此在訪談前，筆者首先與被訪者進(jìn)行了接觸，取得信任后才正式進(jìn)入到訪談階段，而且還利用了網(wǎng)絡(luò)聊天工具（QQ聊天平臺(tái)）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪談，每位參與者在了解研究的性質(zhì)后自愿參加，能夠?qū)ψ约核值幕閼賾B(tài)度及對(duì)婚姻的認(rèn)識(shí)給予合理的解釋。訪談地點(diǎn)一般選在無(wú)人的教室或食堂內(nèi)，時(shí)間不定。訪談時(shí)若被訪者已有戀愛(ài)對(duì)象，則選擇其戀愛(ài)對(duì)象不在場(chǎng)，以免影響被訪者真實(shí)想法的表達(dá)。

這個(gè)系數(shù)在表格中是一個(gè)范圍，在這個(gè)范圍是根據(jù)地面粗糙度類別選取的具體數(shù)值的.從A～D，B類取1/4處，C類取1/2處.

⑷體型系數(shù)μs和風(fēng)載擴(kuò)大系數(shù)μe

這兩個(gè)系數(shù)要放在一起說(shuō)這牽扯到《石油化工塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》上對(duì)μs取值的不同.

在《石油化工塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定μs取0.6，一般我們也按照這個(gè)取用.但是在《高聳規(guī)范》中體型系數(shù)選取表格4.2.7中有一項(xiàng)是明確為：石油化工塔型設(shè)備結(jié)構(gòu)類型的.這一項(xiàng)是根據(jù)塔型設(shè)備直徑不同、塔體本身攜帶鋼梯不同來(lái)選取μs，其最小值也要比0.6大很多.在注1中提及這個(gè)μs是包括了平臺(tái)、扶梯等影響的單個(gè)塔型設(shè)備的.

對(duì)于不同規(guī)范的μs其取值依據(jù)是不同的，包含的意義也不同.在《塔基礎(chǔ)》中是用μe來(lái)考慮獨(dú)立平臺(tái)、聯(lián)合平臺(tái)、鋼斜（直）梯和管線等部分的風(fēng)荷載的.在《高聳規(guī)范》中，這些因素都包含在μs這一個(gè)系數(shù)中的.也就是說(shuō)《塔基礎(chǔ)》規(guī)范中μs（1+μe）才相等于《高聳規(guī)范》中的μs.

表3 μs計(jì)算對(duì)比

由表3可以看出《高聳規(guī)范》計(jì)算出的數(shù)值要大些，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)塔型設(shè)備的直徑越大，風(fēng)荷載擴(kuò)大系數(shù)影響越??；塔型設(shè)備的直徑越小，風(fēng)荷載擴(kuò)大系數(shù)影響越大.

在這里還是要提一下《鋼制塔式容器》這本規(guī)范，在這本規(guī)范條文說(shuō)明中提到，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)柱體結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)表明體型系數(shù)與雷諾數(shù)Re有關(guān)，當(dāng)Re≤1.5x105時(shí)，μs=1.2；當(dāng)Re≥4x105時(shí)，μs=0.7.對(duì)具有圓柱形截面的塔器，常遇到的雷諾數(shù)都大于4x105，所以規(guī)定μs=0.7.

如果把0.7代入上表，可以看出這是介于《塔基礎(chǔ)》和《高聳》之間的一個(gè)數(shù)值《.鋼制塔式容器》中扶梯、護(hù)欄操作平臺(tái)也是另行考慮的.它的公式計(jì)算很細(xì)致，獲取那么多細(xì)部尺寸對(duì)我們專業(yè)來(lái)講比較困難，所以就沒(méi)有列出公式.但是它的意義和《石油化工塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的μs一致.

1.2 橫風(fēng)向風(fēng)荷載

《石油化工塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中并沒(méi)有提及考慮橫風(fēng)向風(fēng)荷載，但是在《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50135-2006）中4.2.11與4.2.12條提到了高聳結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮由脈動(dòng)風(fēng)引起的垂直于風(fēng)向的橫向共振的驗(yàn)算《.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）（2006）7.6提出了對(duì)一些情況下圓形截面橫風(fēng)向風(fēng)振（漩渦脫落）的校核.這表明對(duì)于大型塔型設(shè)備應(yīng)該考慮到橫風(fēng)向風(fēng)荷載的影響

對(duì)于圓截面柱體結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生漩渦脫落時(shí)，若脫落頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率相符，將出現(xiàn)共振.漩渦脫落頻率fs與風(fēng)速v成正比，與截面的直徑d成反比.同時(shí)雷諾數(shù)Re，斯托羅哈數(shù)St它們?cè)谧R(shí)別其振動(dòng)規(guī)律方面有重要意義.

所謂漩渦就是風(fēng)吹過(guò)塔體表面速度減小壓強(qiáng)增加在塔體后半周形成空白區(qū)，在逆向壓強(qiáng)梯度的作用下，必然有倒流的流體來(lái)補(bǔ)充，倒流的流體又受到高壓強(qiáng)的的影響而被推開(kāi)，于是在塔體背后產(chǎn)生了漩渦.

發(fā)生橫風(fēng)向共振有兩個(gè)條件：

第一，雷諾數(shù)Re≥3.5x106.

第二，結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速vH的1.2倍大于vcr，j.

產(chǎn)生橫向風(fēng)振后在垂直的橫風(fēng)向也產(chǎn)生風(fēng)力，還可以產(chǎn)生風(fēng)力矩，但是除重要的的特高的塔型設(shè)備結(jié)構(gòu)外，一般可不考慮它的影響.

1.3 雙塔

這里的雙塔是指間距比較近的兩個(gè)獨(dú)立的塔.由于工藝需要常常有些塔被布置到離的很近的位置，有時(shí)需要把兩塔做成聯(lián)合基礎(chǔ)，這樣對(duì)于這兩個(gè)塔的風(fēng)荷載會(huì)產(chǎn)生一定的影響.我們就不能僅就單個(gè)的塔進(jìn)行計(jì)算，還要綜合考慮兩塔之間風(fēng)荷載的變化，進(jìn)行驗(yàn)算.

由并列雙塔，當(dāng)雙塔間距S=D體型系數(shù)接近單塔的系數(shù)，但當(dāng)S＜D時(shí)，則μs有所提高（當(dāng)S=D/4時(shí)，μs提高一倍）.

前后雙塔，對(duì)于前塔μs變化不大，但后面的塔μs則有變化，當(dāng)S≤D/4時(shí)后塔μs變?yōu)樨?fù)值，說(shuō)明有“迎風(fēng)倒”的趨勢(shì).（S指兩塔之間的凈距）

2 地震作用

一般我們計(jì)算地震作用經(jīng)常采用的方法大致為：

第一，底部剪力法，即首先根據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)、重要性、動(dòng)力特性、重量、地基條件及設(shè)計(jì)烈度等因素求出結(jié)構(gòu)的底部剪力，亦即結(jié)構(gòu)所受的總的地震剪力，然后將此總地震作用按某種規(guī)律分布給結(jié)構(gòu)各質(zhì)點(diǎn).

第二，振型分解反應(yīng)譜法.即首先求出各振型的最大反應(yīng)，然后按某種方式進(jìn)行組合.

2.1 底部剪力法

在使用此方法時(shí)須注意采用多質(zhì)點(diǎn)體系計(jì)算，取總重力荷載代表值的85％進(jìn)行計(jì)算，單質(zhì)點(diǎn)體系則不必.

這樣對(duì)多質(zhì)點(diǎn)體系總重力荷載代表值進(jìn)行取用，反應(yīng)了多質(zhì)點(diǎn)體系底部剪力值與對(duì)應(yīng)單質(zhì)點(diǎn)體系（質(zhì)量等于多質(zhì)點(diǎn)體系總質(zhì)量，周期等于多質(zhì)點(diǎn)體系基本周期）剪力值的差異.

2.2 振型反應(yīng)譜法

振型反應(yīng)譜理論的基本假定是：結(jié)構(gòu)地基相等于剛性平面，各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)完全一致；地面運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以用強(qiáng)震觀測(cè)儀器的記錄來(lái)表示；并假定結(jié)構(gòu)是彈性的.

在確定塔型設(shè)備的地震作用時(shí)，并不需要考慮所有的高振型，一般只需考慮它的第一、第二振型，必要時(shí)最多再考慮第三振型就足夠了.這是根據(jù)一般結(jié)構(gòu)水平振動(dòng)的頻譜特點(diǎn)和地面運(yùn)動(dòng)的主要周期特性得出的.

這里Xji：j振型i質(zhì)點(diǎn)的水平相對(duì)位移可以按照《塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算》表2-52選取.

2.3 地震影響系數(shù)α

地震影響系數(shù)α可以按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.5條計(jì)算，但是《抗震規(guī)范》并沒(méi)有明確塔的阻尼比ζ的取值.不過(guò)在《鋼制塔式容器》這本規(guī)范條文說(shuō)明中提及，塔式容器是屬于高聳的柔性結(jié)構(gòu)，因此塔式容器的阻尼比較標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜所采用的ζ=0.05來(lái)得小.因此推薦ζ=0.01.

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)于塔式設(shè)備基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中風(fēng)荷載、地震作用計(jì)算涉及的方面進(jìn)行了簡(jiǎn)單的總結(jié).

（1）對(duì)于位于框架內(nèi)的塔，一般借助樓層或在樓層上做操作平臺(tái)，塔型設(shè)備本身平臺(tái)較少.在計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)一般選用《石油化工塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中μs=0.6，再結(jié)合擴(kuò)大系數(shù).如果是獨(dú)立在框架外的塔型設(shè)備，一般選用《鋼制塔式容器》中μs=0.7，但是計(jì)算公式還是用《石油化工塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中風(fēng)荷載的計(jì)算公式.如果塔型設(shè)備很高、平臺(tái)、管道荷載很大會(huì)酌情選用《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算方法.塔畢竟是設(shè)備不屬于結(jié)構(gòu)，對(duì)于使用《高聳規(guī)范》還要斟酌.

（2）當(dāng)計(jì)算雙塔聯(lián)合基礎(chǔ)時(shí)，即使是兩個(gè)獨(dú)立的塔型設(shè)備，也要根據(jù)塔間距考慮風(fēng)荷載體型系數(shù)的互相影響.避免風(fēng)荷載計(jì)算偏小.

（3）計(jì)算地震作用時(shí)一般用兩種方法都計(jì)算，并比較一下，選取一個(gè)大的.如果陣型反應(yīng)譜法比底部剪力法小的多，會(huì)再加一個(gè)陣型計(jì)算，然后再進(jìn)行比較.

〔1〕石油化工塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（SH3030-1997）.

〔2〕建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2001）（2006）.

〔3〕高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50135-2006）.

〔4〕鋼制塔式容器（JB/T 4710-2005）.

〔5〕建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001）.

〔5〕徐至鈞.高塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：中國(guó)石化出版社，2002.

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A

1673-260X（2011）11-0129-03