开敞式钢框架风荷载的影响因素分析

开敞式钢框架风荷载的影响因素分析

对于大型输送设备，大型输送设备的输送设备和管道是开放的，并且含有许多相邻的结构，如梯子、杆和电子表格架。美国土木工程师协会《石油化工和其他工业设施的风荷载导则》详细介绍了关于石化装置中管架、框架、设备、管道及附属构件等风荷载的计算方法,该导则是以美国ASCE—05《建筑物和其他结构最小设计荷载》规范相关规定为依据制定1风荷载计算方法国内对石化装置中的开敞式钢框架主要受力结构风荷载计算通常是参考《建筑结构荷载规范》式8.1.1-1,风荷载值F计算方法如下:式中:ωβμμωA2开敞式钢框架的风荷载计算方法美国《石油化工和其他工业设施的风荷载导则》中明确规定石化装置中开敞式钢框架的风荷载计算是依据ASCE7—05的分析方法中其他结构类型的风荷载计算,开敞式多榀钢框架风荷载值F计算方法如下:式中:qG———阵风系数;CA3中美标准结构负荷计算参数的比较3.1中美地面粗糙度类别分布中国规范的基本风速式中;ωV美国规范基本风速(V)式中:qKKI———结构重要性系数。中美地面粗糙度(地貌)类别比较及时距比值表,见表1。由表1可知:对应完全相同的气象环境下,由于风速时距的差异,美国规范记录的基本风速是中国规范记录的1.43倍。3.2不同地面粗糙度类别及梯度风压高度变化系数k1)中国荷载规范规定,根据不同地面粗糙度(A、B、C、D)及梯度风高度,可得出风压高度变化系数μK、α取值因地面粗糙度不同而异。A:K=1.284,α=0.24;B:K=1.0,α=0.3;C:K=0.544,α=0.44;D:K=0.262,α=0.60。2)美国荷载规范表6-3规定,根据不同地面粗糙度类别及梯度风高度,即可得出速度压力暴露系数Kα、Z根据中美规范风压高度变化系数计算公式,可得到中美规范风压高度变化系数曲线,见图1。其中1~4为中标曲线,5~7为美标曲线。3.3阵风影响分析的引入中国规范规定对于应考虑风压脉动对结构顺风向风振影响的一般高耸结构z高度处的风振系数β式中:β美国规范规定结构自振周期小于1s的刚性结构需计算阵风影响系数G;自振周期大于1s的柔型结构或动敏感结构应计算阵风影响系数G刚性结构可以依据简化方法,阵风影响系数直接取G=0.85;或者按照完整分析方法计算G,根据下式计算:柔型结构或动敏感结构分析方法计算G式中:G———刚性阵风影响系数;GIQ———背景响应影响系数;gggR———共振系数。根据中美规范风振影响系数和阵风影响系数计算公式,可以得到一般高耸结构在不同地形条件下,对应的阵风影响系数随高度变化曲线,见图2、图3。3.4风荷载体型系数风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面一定面积范围内所引起的平均压力(或吸力)与来流风的速度压的比值中国规范中关于房屋和构筑物风荷载体型系数列出了39项,化工装置中的开敞式多榀钢框架风荷载体型系数的计算主要依据规范中第32、33项,基本构件截面的体形系数μ式中:μμη———由φ、b/h确定的系数;μ———迎风面挡风系数;AA美国规范规定一般框架的体型系数C式中:CCε———迎风面挡风面积系数。根据中美规范开放式钢框架体形系数计算公式,在顺风向各榀构架平均间距S4实际化工装置中开敞式钢框架的风荷载石化装置中大部分开敞式多榀钢框架,迎风面挡风面积系数一般不超过0.5。鉴于中美规范风荷载计算的差异,将对实际化工装置中开敞式设备支撑钢框架迎风向风荷载进行计算比较。表2列出了石化装置中某开敞式钢框架按照中美规范计算出的开敞式钢框架迎风面风荷载值。中国自然条件:ω5中美规范结构风荷载计算对比中美规范中对应的4个参数存在一定差异。对石化装置开敞式钢框架风荷载的计算,不能按照规范仅考虑迎风面体形系数计算其荷载值,应同时考虑迎风面挡风面积系数和顺风向构架数量对结构体形系数的影响。1)在相同的气象环境下,由于风速时距的差异,美国规范记录的基本风速近似为中国规范记录的基本风速的1.43倍,美国规范对应的基本风压近似为中国规范对应基本风压的2.05倍。2)中美规范关于风压高度变化系数的计算方法类似,由于参数的取值不同,在地面粗糙度相似的条件下,中国规范的风压高度变化系数高于美国规范计算值。3)中美规范风振影响系数(阵风影响系数)因地面粗糙度不同而异。一定高度范围内,中国规范风振影响系数大于美国规范的阵风影响系数,且随高度的增加中国规范的风振影响系数增加的趋势大于美国规范的阵风影响系数。4)中美规范确定结构风荷载体形系数的基本原理一致。对开敞式钢框架,一定挡风面积系数范围内,中国规范计算的结构体型系数小于美国规范计算值。5)对石化装置中开敞式钢框架,因框架外形尺寸和动力特性的不同,中美规范风荷载计算存在一定差异。对于石化装置中低矮型的不考虑风振效应(阵风效应)的开敞式钢框架,中国规范计算出的风荷载值小于美国规