空分冷箱基礎(chǔ)風(fēng)荷載傾覆力矩計算與比較

馬瑜 沈夢榮

（中國空分設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310051）

一、問題的提出

在冷箱基礎(chǔ)設(shè)計過程中，風(fēng)荷載的傾覆力矩計算非常重要，如果基礎(chǔ)設(shè)計不當(dāng)，基礎(chǔ)的抗傾覆力矩達(dá)不到要求，在風(fēng)速達(dá)到一定程度時，可能會發(fā)生冷箱傾覆的危險，造成重大安全事故和經(jīng)濟損失。本文以蘇丹2000Nm3/h液體空分項目冷箱基礎(chǔ)風(fēng)荷載傾覆力矩計算為例，利用國標(biāo)和英標(biāo)兩個標(biāo)準(zhǔn)進行計算和比較，介紹空分項目冷箱基礎(chǔ)風(fēng)荷載的計算過程。

蘇丹2000液體空分項目的土建設(shè)計由蘇丹方自行設(shè)計，在中方人員在蘇考察期間，發(fā)現(xiàn)其冷箱基礎(chǔ)的深度只有1m，與國內(nèi)設(shè)計院通常的設(shè)計存在較大差距（通常冷箱基礎(chǔ)的深度在3m左右），冷箱基礎(chǔ)設(shè)計可能存在一定問題，本著為用戶負(fù)責(zé)的態(tài)度，中方人員用國標(biāo)進行了冷箱基礎(chǔ)設(shè)計復(fù)核，發(fā)現(xiàn)不滿足要求，但是蘇丹用戶是按照英標(biāo)進行設(shè)計的，為了說服用戶，中方又用英標(biāo)對冷箱基礎(chǔ)的抗風(fēng)載能力進行了計算，結(jié)論還是無法滿足，在中方的努力下，用戶最終修改了設(shè)計，確保了該項目冷箱基礎(chǔ)的安全。

二、蘇丹冷箱設(shè)計條件和更改前蘇丹方的冷箱基礎(chǔ)設(shè)計

蘇丹2000Nm3/h液體空分冷箱總高度為49.5m，基礎(chǔ)高度標(biāo)高要求為0.9m，加100mm的找平層，冷箱頂部標(biāo)高為50.5m，冷箱自重為313.8T，冷箱主截面為3.5m×3.6m，基本風(fēng)速為28.2m/s,蘇丹方的基礎(chǔ)設(shè)計寬度和深度為5.3m×9.4m×1.9m，其中地下部分為1.0m，其受力模型可以簡單描述如下簡圖：

圖一

經(jīng)過分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，寬度為3.6m的截面承受風(fēng)載的面積大，風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩更大，因此該截面為不利截面，在計算時只需要計算該截面的風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩是否超過了基礎(chǔ)自身的抗傾覆力矩即可判斷該冷箱基礎(chǔ)的安全性。

三、蘇丹2000Nm3/h液體空分冷箱截面風(fēng)荷傾覆力矩計算

3.1 按國標(biāo)進行計算

計算風(fēng)荷載傾覆力矩，先要計算某一高度處的風(fēng)荷載特征值ωk，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算出來之后乘上相應(yīng)的受力面積和力矩，可得到某一高度出某一截面上風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩，所有截面處的傾覆力矩之和即為建筑物的風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩M1。其中

基本風(fēng)速V0：28.2m/s(時距：10min)

A 計算基本風(fēng)壓：

B 冷箱體型系數(shù)μs

根據(jù)GB50135-2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，H/d=50.5/3.5=14.43， 由 H/d=25 μs=2 及 H/d=7 μs =1.4 插值得

C 高度變化系數(shù)μz。

按照地面粗糙度為A類，按高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB 50135-2006表4.2.6.1查得如下數(shù)值

μz 離地面高度（m）1.17 5 1.38 10 1.52 15 1.63 20 1.8 30 1.92 40 2.03 50

D 高度Z處的風(fēng)荷載風(fēng)振系數(shù)

T1 :冷箱一階自振頻率（T1=1.3s,根據(jù)建模所得）

離地面高度（m） ν Ψz βz 5 0.78 0.2 1.33 10 0.78 0.6 1.84 15 0.83 0.14 1.19 20 0.83 0.23 1.29 30 0.86 0.46 1.53 40 0.87 0.79 1.88 50 0.88 1 2.08 50.5 0.88 1 2.08

E 傾覆力矩計算

風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩為M1：10498 KNm。

自重偏心產(chǎn)生的傾覆力矩為M2：617.75KNm。

F 穩(wěn)定性校核

重力產(chǎn)生的抗傾覆力矩為：G=（設(shè)備自重+混凝土自重）=5504KN

計算穩(wěn)定性時，還應(yīng)考慮荷載分項系數(shù)，對于風(fēng)荷載，分項系數(shù)為1.4，對于恒荷載，分項系數(shù)為1.0，因此

M=1.4×M1+1.0×M2=15315KNm,偏心距e=M/G=2.78>B/6,

不滿足要求，說明冷箱基礎(chǔ)存在傾覆的可能，需要修改設(shè)計。

3.2 按英標(biāo)計算

英標(biāo)中，計算風(fēng)荷載的方法有兩種：一種是標(biāo)準(zhǔn)算法，另外一種是方向算法。標(biāo)準(zhǔn)算法是較為簡單快速、精確度要求不高的情況下采用的方法。方向算法要求較高、耗時較長，精確度也相對高的算法，本文利用標(biāo)準(zhǔn)算法進行蘇丹空分冷箱風(fēng)荷載計算。

基本風(fēng)速的轉(zhuǎn)換

英標(biāo)與國標(biāo)在計算風(fēng)荷載時，基本風(fēng)速的定義有所區(qū)別，國標(biāo)規(guī)定為空曠地面上10m 高度處10min 平均的風(fēng)速觀測數(shù)據(jù),經(jīng)概率統(tǒng)計得出50 年一遇最大值確定的風(fēng)速。英標(biāo)規(guī)定的風(fēng)速是基于1小時的平均風(fēng)速，因而時距不同，需要進行轉(zhuǎn)換。根據(jù)國內(nèi)風(fēng)荷載研究專家張相庭教授的研究并為業(yè)界廣泛應(yīng)用的研究成果，1h的平均風(fēng)速為10min平均風(fēng)速0.94倍。因而基本風(fēng)速為：28.2m/s×0.94=26.5m/s.

B、英標(biāo)風(fēng)荷載的表達(dá)

其中各項符號定義為：

Cr：風(fēng)荷載放大系數(shù)，本例中0.18，

Cpe:建筑物外部受力系數(shù)，迎風(fēng)面取0.8，背風(fēng)面取-0.5.

Pe：建筑物迎風(fēng)面和背風(fēng)面的荷載疊加之和

A：截面面積

Ve：有效風(fēng)速

Vs：建筑物現(xiàn)場實測風(fēng)速

Sa：海拔因素，取1.0

Sd：方向因素，因蘇丹缺乏詳細(xì)的風(fēng)向資料，取1.0

Ss：季節(jié)因素，永久建筑，取1.0

Sp：概率因素，取1.0

因此Vs=26.5m/s

Sb:建筑物體型系數(shù)見下表，與建筑物相對高度有關(guān)

height Depth Width L Sb 2 2 7.6 1.5 1.26 6.4 4.5 1.45 10 5 6.4 8.5 1.62 15 5 3.6 13.5 1.71 20 5 3.6 18.5 1.77 30 10 3.6 26 1.85 49.5 19.5 3.6 40.75 1.95 5 3

風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩為8063KNm。根據(jù)英標(biāo)的規(guī)定，利用標(biāo)準(zhǔn)算法，計算結(jié)果可以折減14%，為6934KNm。

穩(wěn)定性計算

M=1.4×M1+1.0×M2=6934×1.4+617.75=10325KNm。

偏心距e=M/G=10325/5504=1.88>B/6.冷箱基礎(chǔ)不安全。

四、兩種標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果的分析比較

國標(biāo)計算的風(fēng)荷載傾覆力矩結(jié)果是15315KNm，英標(biāo)計算的風(fēng)荷載傾覆力矩為10325KNm，國標(biāo)計算結(jié)果是英標(biāo)計算結(jié)果的1.5倍左右，應(yīng)該說是正常的，可以接受的，為了查明原因，我們仔細(xì)查閱了英標(biāo)及其系數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)，主要原因如下：

1英標(biāo)里對于地形地貌的分類只有一個標(biāo)準(zhǔn)，即現(xiàn)場離海岸線的距離，蘇丹冷箱位于首都喀土穆，離海邊的距離超過1000km，因此只能算作B類區(qū)域，不算最惡劣的區(qū)域。實際上，英國標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)英國的地形地貌給出的，英國本身沒有沙漠，因而光靠一個離海邊的標(biāo)準(zhǔn)在蘇丹的適用性本身存在一定的問題，蘇丹面積較大，大部分為沙漠和戈壁地區(qū)，冷箱周圍更是一片荒地，基本上沒有超過15m以上高度的建筑，按照中國標(biāo)準(zhǔn)，肯定是算A類地面的。

2英標(biāo)里面對于標(biāo)準(zhǔn)算法和方向算法兩種方法的計算結(jié)果進行比較，當(dāng)建筑物高度接近100m時，兩種方法的計算結(jié)果幾乎是一樣的，所以14%的減小系數(shù)的合理性也值得商榷。

風(fēng)荷載傾t覆力矩計算

五、冷箱基礎(chǔ)設(shè)計的改進

兩種標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果表明，原基礎(chǔ)設(shè)計方案寸在一定的問題，有整體傾覆的危險，為了避免安全事故的發(fā)生，根據(jù)現(xiàn)場施工情況和建筑物基礎(chǔ)的情況，采用試算法進行調(diào)整，從增加基礎(chǔ)寬度和深度兩個方向上去進行改進，尋求解決方案。

方案一：基礎(chǔ)深度不變，擴大基礎(chǔ)面積，增大重力產(chǎn)生抗傾覆力矩的力臂，將基礎(chǔ)尺寸由原來的5.3m×9.4m×1.9m改為9.42m×9.4m×1.9m(W×L×D).考慮到該冷箱平臺梯子重量為20噸左右，能夠抵消一定的風(fēng)荷載傾覆力矩。改進后的穩(wěn)定性比較如下：偏心距

e=(6934×1.4+1765×0.35-200×4.1 25)/(1373+1765+200+9.42×9.4×1.9×2 5)=1.26< b/6=1.57, 滿足要求。根據(jù)此方案改進的話，需要增加的混凝土體積為71m3，對地基承載力要求為其地基承載力特征值不小于110KN/m2.

方案二：基礎(chǔ)長度和寬度方向都增加2m，改為7.3m×11.4m,試算此方案下最小的基礎(chǔ)深度為2.6m，此方案需要增加的混凝土方量為：121.71m3，對地基承載力要求為其地基承載力特征值不小于147KN/m2.

不難看出，方案一明顯優(yōu)于方案二，不僅改動量較小，施工方便，業(yè)主需增加的經(jīng)濟投資也是最優(yōu)的，對地基承載力的要求也較低，容易滿足要求。經(jīng)與業(yè)主最后確認(rèn)，按照第一種改進方案進行了實施。

結(jié) 語

通過蘇丹2000液體空分基礎(chǔ)校核，筆者認(rèn)為盡管英標(biāo)和國標(biāo)是兩套不同體系下的標(biāo)準(zhǔn)，計算的具體方法上存在差異。計算結(jié)果也不盡相同，但是原理是一致的。

在國際工程項目管理中，對于類似冷箱基礎(chǔ)的安全問題，各項目參與方都必須給予足夠的重視，對設(shè)計進行復(fù)核，確保設(shè)備基礎(chǔ)的安全性和穩(wěn)定性，進而確保工程的順利進行。

[1]GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.

[2]GB50135-2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.

[3]BS6399-2-1997英國荷載計算規(guī)范.

[4]張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)壓和風(fēng)振計算[M]. 上海:同濟大學(xué)出版社,1985.