浅谈工业框架结构风荷载计算问题

 　摘要：工业框架开敞结构在模型及空间分布的不规则性及结构上存在的大量操作平台、设备、管道等使结构变得更为复杂，由此在软件分析的过程中，应加着重强对工业建筑中此类结构的风荷载研究计算，以提高其防风设计水平。本文的内容即重点分析了工业框架开敞结构的风荷载的计算和分析。 

　　关键词：工业；框架结构；风荷载；不确定性 

　　 中图分类号：TU973文献标识码： A 

　　一、工业框架开敞结构风荷载计算的现状 

　　目前，国内外石油化工项目中存在着为数众多的框架结构，这类框架结构往往承载着工艺流程中的有关的立式设备、卧式设备、换热器、空冷器、错综复杂的管道以及设备操作平台等，并且具有复杂而不规则的楼层，极大多数为开敞状态。在现行荷载规范《GB 500092012建筑结构荷载规范》中并未明确说明该类型工业框架开敞结构的风荷载计算方法。因此，这类结构的结构设计是项目流程中的重点和难点。本文即着重讨论该类型框架结构设计的基本条件之一：风荷载的计算和分析。 

　　二、工业框架开敞结构风荷载的计算分析 

　　工业框架开敞结构设计时，风荷载计算的不确定性来自两方面：其一，采用常规的适用于封闭式框架风荷载自动计算功能的软件来计算或者采用手工简化计算，这样造成的误差会过大；其二，设计人员在结构设计过程中如何考虑工业框架内部前面挡风物体对后面挡风物体的屏蔽作用，从而有着不同的风荷载计算内容和公式。 

　　1、使用通用结构计算软件PKPM进行分析计算 

　　通用建筑结构计算软件PKPM是国内设计院中应用量最大的一款计算软件，其对规范的理解与结合基本上走在分析设计软件的前列。PKPM软件对风荷载的计算假定是：迎风、背风面的受荷面积相同；风荷载作用于楼层质心及弹性节点上，楼层所有节点平均分配风荷载。在其最新版V2.1上，结构风荷载主要有关的参数有如下几种：地面粗糙度类别、修正后的基本风压、X向结构的基本周期、Y向结构的基本周期、风荷载作用下的结构阻尼比、水平风荷载体形系数等主要参数确定。 

　　 （1）计算公式 

　　通用结构计算软件PKPM在普通处理框架结构风荷载时是按照封闭式框架来倒算计算风荷载的。 

　　第�层的风荷载标准值： 　 

　　式中，风荷载体型系数 。由用户输入，和A 由软件按封闭式框架确定的风振系数和第i层外轮廓挡风面积(m2 )。在用于工业框架风荷载计算时，用户在人机交互时利用软件提供输入调整系数或挡风的功能，输入一个挡风面综合折算系数Φ ，则工业框架第i层的风荷载标准值： 　　 

　　是综合考虑工业框架开敞结构中梁、柱、斜撑、钢平台、钢栏杆、钢梯及设备和管线等的挡风面积所计算出的挡风折算系数，A是结构最外侧轮廓立面投影的面积，软件默认为计算到最外侧节点处。 

　　 （2）使用PKPM算软件分析计算工业框架开敞结构风荷载必然产生荷载不确定性的原因 

　　①工业框架开敞结构由于设备、管道、结构轮廓等在平面和立面上的布置具有很大的不均匀性，在不同跨度、不同高度、不同方向上其挡风面综合折算系数变化也很大。因此如果用一个统一的挡风面综合折算系数，不能准确的反映风荷载在立面上乃至空间上分布的不均匀性。实际上，在近年来工程中所遇到的的各种框架其楼面荷载越来越大、结构和设备的轮廓尺寸也越来越大。经过计算后的挡风面综合折算系数上限有时候比规范的规定值还要偏大。 

　　②由于楼层设备挡风面形心与设备支撑梁标高有一定高差，因此楼面设备支撑梁不仅承担着由设备传来的水平风荷载，而且还承担着由风荷载所产生的倾覆力矩，该外力一般折算为拉压力作用在相应位置处。 

　　③钢框架结构由于其楼层水平面内刚度比较小，空间作用效果不如民用建筑中的钢筋砼楼板，再加上工业钢框架平台或者框架梁错层、大开洞比较普遍。因此风荷载在结构构件上的分布如果按照民用建筑结构那样简化到若干层标高上其误差则会较大。 

　　 由以上分析可知，如果对于普通封闭规则框架，可以按照常规计算，输入相应参数即可，但对于开敞结构或半封闭框架结构，PKPM软件对风荷载的计算就需要人为干预，一般情况下有两种方法来进行模拟：一种是对基本风压值进行折减，但这个折减是依据荷载规范在相应计算的前提上考虑的；一种是手算相关风荷载值，在SATWE接PM生成ATWE数据菜单下的风荷载的查询修改处，对相关风荷载取值大小进行相应修改，然后勾选保留用户自定义的风荷载，在此基础上进行后续分析设计，否则前面对风荷载所做的修改会丢失，软件会按照默认的风荷载计算值进行后续分析设计。 

　　对于工业框架开敞结构楼层平面内的设备、操作平台等其他构件所产生的水平风荷载，应单独计算，并以特殊风的形式施加于相应节点上。 

　　2、手动近似计算风荷载 

　　作用于框架每层梁柱节点处处的风荷载标准值近似为： 　 

　　上式中，是作用于框架每层梁柱节点的风荷载标准值，A1、A2、A3、A4、A5分别为梁、柱、斜撑、栏杆和设备(不包括特殊的设备，比如直径大于1．20m冷换设备、换热器、立式设备、卧式设备及空冷器等)的折算挡风面积(m2 )。 

　　该计算方法与使用封闭式框架计算软件计算情况相比，手动计算计算风荷载时考虑了工业框架开敞结构中挡风物体在立面上分布不均匀的特点，在每层每个梁柱节点处施加通过手工计算的风荷载水平力。因此，手动近似计算风荷载的不确定性主要是由于项目设计周期比较短和手动计算工作量大矛盾下的计算误差和人为的忽略设备、大型管道等部分风荷载的传力途径产生。 

　　3、使用框架结构设计软件Staad Pro计算 

　　常用钢结构设计软件STAAD PRO，能较比较好的满足工业框架开敞结构设计的各种特殊要求，比如工业框架的风荷载计算、设备相关的荷载(包括设备自重、操作介质重、充水水重、设备风荷载及设备地震作用等)的计算和各种设计工况(充水试压、正常操作、停产检修、地震)的多种荷载组合。 

　　STAAD PRO在逐一计算各挡风物体的风荷载时没有考虑前面挡风物体对后面挡风物体的屏蔽作用。但是这并不限制设计人员使用STAAD PRO前处理计算风荷载时适当考虑屏蔽作用。比如若设计人员认为有时候必需要考虑框架梁对某些平台梁的屏蔽作用，可不对这些平台梁截面赋值或者在结构计算阶段少布置些平台梁。对没有截面赋值的平台梁，程序默认会按照按最小截面来计算风荷载并根据承载力和刚度的需求来确定其实际需要的截面。 

　　三、结论 

　　1、采用挡风面综合折算系数Φ，用封闭式框架计算软件PKPM计算以及手动计算，不仅计算精度不能满足要求，而且也不能反映工业框架开敞结构风荷载在空间结构上的实际分布情况。 

　　2、使用适用于工业框架的设计软件STAAD PRO前处理，应逐一计算和添加工业框架上的所有挡风物体的风荷载（包括斜梯、爬梯、楼层上小操作平台等），并对设备、管道等非结构部分的风荷载进行计算可保证计算精度，降低不确定性并提高计算荷载效率。因风荷载计算中仍存在许多不确定性，当风荷载效应在效应组合中的比重较大时，应注意结构设计可靠度偏低的可能性。尤其在分析停产检修设计工况中，当风荷载效应与永久荷载效应异号时组合效应起控制的结构或构件，其可靠度更低，应引起重视。 

　　四、参考文献 

　　[1]侯小玲．建筑结构基本风速和基本风压问题浅析[J].山西建筑，2010（3） 

　　[2]中华人民共和国国家标准.GB 500092012建筑结构荷载规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2012.