電廠管道的風(fēng)荷載計算

朱學(xué)成，吳 斌(江蘇省電力設(shè)計院，江蘇 南京 211102)

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電廠管道的風(fēng)荷載計算

朱學(xué)成，吳 斌
(江蘇省電力設(shè)計院，江蘇 南京 211102)

摘要：在電廠露天管道偶然荷載的計算中，應(yīng)考慮風(fēng)荷載的影響。本文對現(xiàn)有電廠管道設(shè)計規(guī)范中有關(guān)風(fēng)荷載的規(guī)定進(jìn)行梳理，通過對各國風(fēng)荷載規(guī)范的比較，指出我國電站管道規(guī)范風(fēng)荷載計算中可能存在的問題，并提出適用于電廠管道風(fēng)荷載的計算建議。

關(guān)鍵詞：風(fēng)荷載；規(guī)范；基本風(fēng)速；風(fēng)振響應(yīng)。

近年來，隨著海外工程特別是近海岸工程的增多，以及國內(nèi)電站向著大機(jī)組高容量發(fā)展，主要煙風(fēng)汽水管道高度和外形尺寸的增大，管道對于風(fēng)荷載影響的敏感性大大增強(qiáng)。有必要對國內(nèi)電站管道相關(guān)規(guī)范中風(fēng)荷載條文進(jìn)行梳理、掌握國際主流規(guī)范與國內(nèi)規(guī)范的異同，使設(shè)計人員能夠正確使用規(guī)范進(jìn)行工程設(shè)計。本文從實(shí)際電站工程的應(yīng)用角度出發(fā)，通過對國內(nèi)外主要風(fēng)荷載規(guī)范進(jìn)行比較，分析將國內(nèi)相關(guān)規(guī)范應(yīng)用到涉外工程的可行性，并針對電站工程管道風(fēng)荷載的計算提出具體建議。

1　設(shè)計風(fēng)壓與基本風(fēng)壓

電站管道受到的荷載可根據(jù)作用時間長短分為持續(xù)荷載和偶然荷載，其中偶然荷載包括風(fēng)荷載、冰雪荷載、地震荷載、水錘力和排汽反力等。風(fēng)荷載引起的振動是隨時間不確定的隨機(jī)振動，在工程應(yīng)用中一般采用等效靜力法簡化分析，垂直于管道表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

式中：βz為風(fēng)振系數(shù)；μs為體型系數(shù)；μz為高度系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓。

基本風(fēng)壓w0是風(fēng)荷載設(shè)計輸入的基本參數(shù)，國內(nèi)電站管道規(guī)范均參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 ，詳細(xì)對比見表1。

表1　國內(nèi)電站管道規(guī)程中基本風(fēng)壓的定義

各國在制定風(fēng)荷載規(guī)范時，基本風(fēng)速和風(fēng)壓涉及到標(biāo)準(zhǔn)離地高度、最大風(fēng)速重現(xiàn)期、平均風(fēng)速時距、地貌類別、最大風(fēng)速樣本和最大風(fēng)速概率分布類型等6項定義，見表2。

表2　各國規(guī)范中基本風(fēng)速影響因素對比

為確定設(shè)計風(fēng)速，必須規(guī)定重現(xiàn)期和確定年最大平均風(fēng)速的概率分布。重現(xiàn)期即最大風(fēng)速重復(fù)出現(xiàn)的時間間隔，重現(xiàn)期越長安全性越高。我國規(guī)范給出各地重現(xiàn)期分別為10年、50年和100年的風(fēng)壓值，重現(xiàn)期為R年的風(fēng)壓值可按wR=w10+(w100- w10)(InR/In10-1)確定，溫度t氣壓p時的空氣密度可由ρ=1.276×10-8(p -0.378pv)/(1+0.00366t)計算，式中pv為水蒸氣分壓，也可按ρ=0.00125e- 0.0001z進(jìn)行估算，其中z為海拔高度。常用的概率分布模型有極值I型、極值II型和韋伯分布，目前大多數(shù)國家均采用極值I型分布函數(shù)。

從表2中可以看出各國對基本風(fēng)速的定義和統(tǒng)計方法基本一致，但平均風(fēng)速時距存在區(qū)別，體現(xiàn)出各國對不同類型風(fēng)荷載考慮的側(cè)重：10 min和60 min時距反映的是平均風(fēng)速，適合描述寒潮、季風(fēng)等大范圍的風(fēng)；3 s時距反映的是陣風(fēng)風(fēng)速，適合描述雷暴風(fēng)、風(fēng)暴等小范圍的風(fēng)。不同時距基本風(fēng)速平均比值可通過：v60min∶ v10min∶ v3s=0.94 ∶ 1∶ 1.42進(jìn)行換算。值得注意日英澳還根據(jù)本國不同地域給出風(fēng)向的修正系數(shù)，而中美規(guī)范中無此規(guī)定。

2　體型系數(shù)

風(fēng)荷載大小受到不同管道體型的直接影響，體型系數(shù)定義為風(fēng)作用在管道上所引起的實(shí)際壓力與來流風(fēng)速度壓的比值，描述管道表面在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下靜態(tài)壓力的分布規(guī)律，受管道體型和尺度，以及地面粗糙度和周圍環(huán)境的影響。當(dāng)管道與其它結(jié)構(gòu)較近時，由于旋渦的相互干擾，某些部位的局部風(fēng)壓會顯著增大，一般用單管的體型系數(shù)乘以干擾系數(shù)進(jìn)行修正。國內(nèi)電站管道規(guī)程均給出了上下雙管、前后雙管、前后多管的體型系數(shù)，其中規(guī)范[2，3]數(shù)值相同，稍高于規(guī)范[1，4]，并列出了單管體型系數(shù)。此外規(guī)范[2]還列出了方管的體型系數(shù)。

國外風(fēng)荷載規(guī)范針對多管組合的體型系數(shù)條文較少，但對單個圓形或矩形構(gòu)筑物按不同長寬比或細(xì)長比、表面情況等做了更加細(xì)致的劃分。國內(nèi)電站管道規(guī)范的體型系數(shù)均按同等條件下的最不利情況取值，設(shè)計偏保守，體現(xiàn)了電站設(shè)計安全系數(shù)較高的特點(diǎn)。

3　高度系數(shù)及地面粗糙度

高度和地面情況對于風(fēng)速的影響可分為兩個方面：特殊地形的影響和高度地形的影響。

規(guī)范[1]～[3]中考慮了盆地、山谷口、海岸距離等特殊地形對風(fēng)壓的修正系數(shù)，其中規(guī)范[1]還給出山峰和山坡處的修正系數(shù)計算公式。美國規(guī)范中考慮了山坡影響，但沒有考慮山區(qū)和海岸的影響。澳大利亞規(guī)范中進(jìn)一步考慮了群建筑物間的遮擋折減系數(shù)，并給出了適用于一定距離范圍內(nèi)地面粗糙度變化時的加權(quán)系數(shù)計算方法。

由于地表摩擦對風(fēng)速的影響隨著高度而減小，這種平均風(fēng)速隨高度而逐漸增加的變換關(guān)系稱為平均風(fēng)速剖面，各國規(guī)范中最常用的平均風(fēng)速剖面公式有指數(shù)型和對數(shù)型，并根據(jù)不同地貌類別給出系數(shù)。而英國規(guī)范中考慮了城鄉(xiāng)、上風(fēng)向距海岸距離、建筑物外形比例等因素，與其他國家的規(guī)范沒有簡單的對應(yīng)關(guān)系。

表3　高度z及地面粗糙度對風(fēng)速的修正

從表3看出美國規(guī)范的系數(shù)最小，中國規(guī)范中的取值偏保守。國內(nèi)電站管道規(guī)范均按地面粗糙度類別給出高度變化系數(shù)表，其中規(guī)范[2]因?yàn)橐玫囊?guī)范版本較早，將地面粗糙度類別為3類，規(guī)范[3，4]的地面粗糙度類別均為4類。

4　風(fēng)振系數(shù)

風(fēng)速在大氣層中受到各種因素的影響而呈現(xiàn)隨機(jī)脈動性，由脈動風(fēng)引起的管道振動隨管道自振周期的增加而增強(qiáng)。由于脈動風(fēng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)動效應(yīng)的求解過程對于工程設(shè)計過于復(fù)雜，一般將風(fēng)致動力效應(yīng)應(yīng)用風(fēng)致靜力效應(yīng)來等效表達(dá)，工程上將平均風(fēng)與脈動風(fēng)共同作用的總響應(yīng)與平均風(fēng)產(chǎn)生的相應(yīng)之比稱為風(fēng)振系數(shù)。

在國內(nèi)電站管道規(guī)范中規(guī)范[2，3]未考慮風(fēng)振系數(shù)，而規(guī)范[4]沿用了規(guī)范[1]的較早版本，將風(fēng)振系數(shù)分解為脈動增加系數(shù)和為脈動影響系數(shù)，再分別根據(jù)基本風(fēng)壓與自振周期，以及高度與地面粗糙度查表求得。

各國規(guī)范對風(fēng)振系數(shù)的一般公式為βz=1+2gI10(B+R)0.5，式中g(shù)為峰值因子，I10為10 m高湍流強(qiáng)度，B和R分別為背景分量因子和共振分量因子。此公式優(yōu)點(diǎn)在于概念明確，對于剛度較大的管道可只用背景影響系數(shù)計算等效風(fēng)荷載，因此我國新版規(guī)范[1]舍棄了舊版公式而采用此公式定義風(fēng)振系數(shù)，但對部分系數(shù)的選取還需斟酌。如峰值因子取為2.5，而其它國家規(guī)范的峰值因子通過計算在3.4～4間。各國對湍流強(qiáng)度均以冪函數(shù)Iz=c(z/10)- d定義，其中c，d均是依賴于地形的參數(shù)，各國的取值見表4，我國規(guī)范在新版本中對湍流強(qiáng)度的取值稍有提高，但對比其他國家仍明顯偏低，計算結(jié)果也比其他國家略小。

表4　湍流強(qiáng)度的特征參數(shù)

各國規(guī)范中風(fēng)振系數(shù)的使用條件見表5，中國規(guī)范要求考慮脈動風(fēng)的范圍較寬，設(shè)計偏保守。而管道規(guī)范[4]中沒有給出使用范圍，降低了規(guī)范實(shí)際應(yīng)用的可操作性。還應(yīng)值得注意在各國風(fēng)荷載規(guī)范中風(fēng)振系數(shù)的研究均以豎向懸臂型結(jié)構(gòu)為對象，是否適用于與附近結(jié)構(gòu)緊密耦合的電站管道還需深入研究。

表5　風(fēng)振系數(shù)的使用條件

除順風(fēng)向風(fēng)荷載外，露天管道由于空氣渦流脫落等原因還可能產(chǎn)生與風(fēng)向垂直的橫風(fēng)向風(fēng)振。對于電站汽水管道Re數(shù)均小于3.5×106，可不考慮橫風(fēng)共振；而對于大尺寸煙風(fēng)管道Re數(shù)有可能稍高于3.5×106，但大尺寸煙風(fēng)管道道多水平布置，下方支架在對管道附近氣流產(chǎn)生擾動的同時也限制了管道振動；而且在煙風(fēng)道加固肋設(shè)計時已考慮了煙風(fēng)道壁面的振動影響。因此在電站管道計算中忽略橫向風(fēng)振的影響是可行的。

5　管道的風(fēng)荷載計算

研究管道風(fēng)荷載的計算方法最終是為了合理地進(jìn)行支吊架和加固肋設(shè)計，這與建筑物設(shè)計中還需要考慮風(fēng)荷載對于整棟建筑物的基礎(chǔ)有所區(qū)別。管道支吊架上的風(fēng)荷載包括以集中力形式承受的管道風(fēng)荷載，以及支吊架根部結(jié)構(gòu)本身所受的風(fēng)荷載，前者在支吊架上的分配可按靜力矩平衡法計算，而后者的影響在電站管道設(shè)計中通?？梢院雎?。而加固肋設(shè)計可按照規(guī)范[2]的要求考慮風(fēng)荷載的當(dāng)量壓力。

各國所考慮的風(fēng)荷載影響因素基本一致，但對具體公式和參數(shù)的選取，以及對部分修正因素的考慮上仍有區(qū)別。我國規(guī)范對基本風(fēng)速的定義和統(tǒng)計方法與各國相一致，對體型、高度及地面粗糙度的影響考慮偏保守，而對風(fēng)振影響的考慮可能還存在一定問題。

目前國內(nèi)電站管道各規(guī)程對于風(fēng)荷載計算的要求各有不足。從工程角度出發(fā)，建議僅對大尺寸的電站管道采用靜力法進(jìn)行簡化計算：按規(guī)范[3]計算基本風(fēng)壓、圓管體型系數(shù)、高度及地面粗糙度影響；按規(guī)范[2]計算方管體型系數(shù)；同時忽略支吊架風(fēng)荷載，按規(guī)范[11]計算風(fēng)荷載在各支吊點(diǎn)的分配，

表6　電廠管道風(fēng)荷載的計算

表6中計算不同工程兩個風(fēng)管道的風(fēng)荷載，將計算段在固定支架處分開簡化為雙支撐管道，相關(guān)系數(shù)按照最新版規(guī)范選取，迎風(fēng)面積和體型系數(shù)的計算考慮了熱管道保溫層的影響。根據(jù)計算結(jié)果可以看出：(1)由于電廠多建造在A、B類地形區(qū)域，風(fēng)壓高度變化系數(shù)對風(fēng)荷載的影響較大，隨高度的變化也比較明顯；(2)管道介質(zhì)種類不僅影響風(fēng)荷載計算中的迎風(fēng)面積和管道截面特性參數(shù)的計算，還會因?yàn)殇摴芎捅貙颖砻娲植诙鹊牟煌绊戵w型系數(shù)的選??；(3)風(fēng)振系數(shù)對風(fēng)荷載的計算不應(yīng)簡單忽略；(4)在基本風(fēng)壓較高的工程中，風(fēng)荷載相比管道、尤其是風(fēng)管道的自重不應(yīng)被忽略，但相對于支吊架可承受的荷載仍然很小，由于計算中各參數(shù)的選擇均按較保守的情況考慮，因此只要按照最新規(guī)程適當(dāng)設(shè)置支架，通常即可滿足防風(fēng)要求。在要求較高的設(shè)計中，由于走向復(fù)雜、支吊類型和數(shù)量都比較多，電站管道的自振周期計算繁雜，按規(guī)范[1，4]計算風(fēng)振系數(shù)的可操作性不強(qiáng)，建議采用CAESARII等軟件進(jìn)行相關(guān)計算。

6　結(jié)論

各國風(fēng)荷載規(guī)范均采用等效靜力法，在基本風(fēng)壓基礎(chǔ)上，考慮體型、風(fēng)振系數(shù)、高度及地面粗糙度等因素進(jìn)行修正。

各國的基本風(fēng)速定義基本一致，重現(xiàn)期、時距等基本參數(shù)可通過公式進(jìn)行換算。中國規(guī)范在體型系數(shù)較簡略，但均按照同等條件下的最不利情況取值；各國對高度系數(shù)及地面粗糙度的規(guī)定各有側(cè)重，中國的取值偏保守；中國規(guī)范已改用各國通用的脈動風(fēng)速計算公式，雖然對湍流強(qiáng)度的取值稍低，但管道模型和振型系數(shù)等參數(shù)均按照最不利情況選取，得到的計算結(jié)果偏保守。

在國內(nèi)電站管道規(guī)范中對于基本風(fēng)壓、體型系數(shù)的要求可以滿足基本設(shè)計要求，但部分參數(shù)的選取應(yīng)根據(jù)最新規(guī)范[1]適當(dāng)調(diào)整。對電站設(shè)計中復(fù)雜管道風(fēng)振系數(shù)的選取，現(xiàn)有規(guī)范中計算方法的可操作性較差，計算模型也有待完善，可以采用成熟軟件進(jìn)行動態(tài)計算。

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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.

中圖分類號：TM621

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-9913(2016)01-0034-04

* 收稿日期：2015-06-17

作者簡介：朱學(xué)成(1979- )，男，江蘇南京人，博士，高級工程師，主要從事電廠設(shè)計工作。