自立鋼煙囪新舊規(guī)范風荷載計算比較

劉杰，董罡，江航，袁慶軍

（1.中國石油工程建設公司華東設計分公司，山東青島266071；2.中國石油錦西石化公司，遼寧葫蘆島125001）

自立鋼煙囪新舊規(guī)范風荷載計算比較

劉杰1，董罡1，江航1，袁慶軍2

（1.中國石油工程建設公司華東設計分公司，山東青島266071；2.中國石油錦西石化公司，遼寧葫蘆島125001）

GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》于2012年5月發(fā)布，10月正式實施。其內(nèi)容與GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（2006年版）變化比較大的是對風荷載計算的修訂。因此筆者選取某煉油廠60 m自立鋼煙囪為研究對象,按照2012版規(guī)范規(guī)定的風荷載計算方法,對該煙囪所受的風荷載進行了計算。并將計算結(jié)果與2006版規(guī)范的計算結(jié)果進行了比較分析，為工程設計人員正確應用2012版規(guī)范計算風荷載提供有益參考。

鋼煙囪；風荷載；分析

工程設計條件：某煉廠中鋼煙囪高度為60 m，上口外徑2.1 m，底部外徑3.6 m，坡度為1.25%，如圖1所示。已知該地區(qū)基本風壓為0.7 kN/m2，地面粗糙度類別為B類（基本風壓和地面粗糙度類別一般在項目氣象資料，自然條件中給出。若沒有具體資料可以參考12版荷載規(guī)范附錄E）。

1 計算模型假定及簡圖

（1）為便于計算，將煙囪沿高度平均分成三段（為提高計算精度，也可適當增加分段數(shù)量），每段高度為20 m。

（2）為簡化計算，假定作用在每段煙囪上的風荷載效應沿高度方向簡化為均布荷載（實際為梯形荷載，筆者取各段煙囪形心高度處的風壓值為代表值）。

（3）煙囪計算簡圖

煙囪計算簡圖見圖1。

2 2006版規(guī)范風荷載計算

（1）有關(guān)幾何參數(shù)

第三段形心高度z=40+20/3×（2.6+2×2.1）/（2.6+ 2.1）=49.65 m,同理其它兩段計算結(jié)果見表1。其中B為底部寬度3.6 m。

（2）風荷載體形系數(shù)

圖1 煙囪計算簡圖（單位：mm）

表1 幾何參數(shù)

根據(jù)《石油化工管式爐鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》SH/T 3070-2005附錄B規(guī)定圓型煙囪體型系數(shù)μs=0.7。

（3）風壓高度變化系數(shù)

按照地面粗糙度為B類，由《荷載規(guī)范》表7.2.1可查得不同高度z處的風壓高度變化系數(shù)見表2。

表2 風壓高度變化系數(shù)μs和脈動影響系數(shù)v

（4）風振系數(shù)

煙囪的自振周期應按照《石油化工管式爐鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》附錄B計算，也可以采用《荷載規(guī)范》附錄E中的簡化公式T1=0.013H=0.013×60=0.78 s＞0.25 s，故需考慮風振影響。

對自立式高聳結(jié)構(gòu)在z高度處的風振系數(shù)βz可按《荷載規(guī)范》式（7.4.2）計算，根據(jù)7.4.3條可求得脈動增大系數(shù)ζ。查表7.4.3得脈動增大系數(shù)ζ=2.256。

由H=60 m和地面粗糙度B類從《荷載規(guī)范》表7.4.4-1查得脈動影響系數(shù)v=0.88。煙囪頂部直徑與底部直徑比為2.1/3.6=0.58，查《荷載規(guī)范》表7.4.4-2求得修正系數(shù)θv=1.55，修正后的脈動影響系數(shù)見表2。

煙囪頂部直徑與底部直徑之比為0.58，查《荷載規(guī)范》附錄F中表F.1.3得到各段形心高度處第1振型系數(shù)φz見表3。根據(jù)《荷載規(guī)范》式（7.4.3）風振系數(shù)計算結(jié)果見表3。

表3 風振系數(shù)計算

（5）計算各段風荷載和集中力

根據(jù)《荷載規(guī)范》式（7.1.1）Wk=βzμzμsW0，各段集中力Pk=WkA，A為各段迎風面積。計算結(jié)果見表4。

表4 風荷載標準值計算

（6）底部截面產(chǎn)生的剪力和彎矩標準值

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）判別是否考慮橫向風振

根據(jù)《荷載規(guī)范》，當結(jié)構(gòu)沿高度截面縮小時（傾斜度不大于0.02），可近似取2/3高度處的風速和直徑，則在2/3H=2/3×60=40 m處，D=2.6 m，式（7.6.1-3）μH=1.56，據(jù)7.6.1條判斷是否考慮橫向風振。

據(jù)式（7.6.1-3）

根據(jù)《荷載規(guī)范》7.6.1條第3款規(guī)定不考慮橫向風振。

3 2012版規(guī)范風荷載計算

風壓高度變化系數(shù)μz的值2012版規(guī)范有所調(diào)整，調(diào)整后值見表5。幾何參數(shù)、體型系數(shù)μs沒有變化，結(jié)果見表6。

（1）風振系數(shù)

根據(jù)《新荷載規(guī)范》式（8.4.3）

表5 修正后的背景分量因子Bz

表6 風荷載標準值計算

式中：g=2.5，I10=0.14（地面粗糙度為B）

①計算參數(shù)x1，R的值

式中：kw=1.0，w0=0.7，f1==1.28，x1=

式中：x1＞5；ξ1=0.02（有內(nèi)襯鋼煙囪）。

②計算參數(shù)BZ的值

式（8.4.6-2）ρx=，B為迎風面寬度，根據(jù)8.4.6條3款規(guī)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。

根據(jù)8.4.7規(guī)定，查附錄G，表G.0.4可得

φ1（9.75）=0.05，φ1（29.71）=0.29，φ1（49.65）=0.69，根據(jù)荷載規(guī)范8.4.5條第2款規(guī)定背景分量因子Bz應乘以修正系數(shù)θB、θv，修正后的結(jié)果見表5。

將以上計算的參數(shù)代入式（8.4.3）βz=1+2g I10βz計算結(jié)果見表6。

（2）計算各段風荷載和集中力

根據(jù)新《荷載規(guī)范》式（8.1.1-1）Wk=βzμzμsw0，各段集中力Pk=WkA，A為各段迎風面積。計算結(jié)果見表6。

（3）底部截面產(chǎn)生的剪力和彎矩標準值

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）判別是否考慮橫向風振

計算過程同2006版荷載規(guī)范。

4 計算結(jié)果比較

第1段剪力值比2006版荷載規(guī)范計算值略大（37.9-35.9）/35.9=5.6%；

第2段剪力值比2006版荷載規(guī)范計算值略大（59.7-59）/59=1.2%；

第3段剪力值比2006版荷載規(guī)范計算值略?。?1.3-72.8）/72.8=-2.1%；

總剪力值比2006版荷載規(guī)范計算值略大，增大約（168.9-167.7）/167.7=0.7%；

總彎矩值比2006版荷載規(guī)范計算值略小，減小約（5 683.3-5 717.4）/5717.4=-0.6%。

5 結(jié)語

2012版規(guī)范風荷載計算風壓值在結(jié)構(gòu)初始端有所增大，結(jié)構(gòu)末端風壓值有所減小。風壓值沿高度梯形分布的最大值和最小值的差值有所減小。所以不能籠統(tǒng)的認為，新規(guī)范計算的值就比舊規(guī)范值大。本工程實例中新規(guī)范計算的總剪力值比原先稍大，總彎矩值比原先稍小，總風荷載效應變化均不足1%，基本可以忽略。需要引起注意的是：以上結(jié)論是在不需考慮橫風風振的條件下得出的,若需考慮計算橫風風振時，應按2012版規(guī)范采用三種組合工況（詳見規(guī)范8.5.6條款），而2006版規(guī)范簡單的采用了組合方式。因此在遇到此類情況時，應當計算橫風荷載，并驗算三種工況下荷載效應。

（注：1.2006版規(guī)范、舊規(guī)范均指GB50009-2001（2006年版）建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范。2.2012版規(guī)范、新規(guī)范均指GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)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

劉杰（1976—），男，高級工程師，主要從事工業(yè)爐鋼結(jié)構(gòu)設計工作.