某145 m跨储煤棚结构风荷载设计

张 渊 　 张家坤 　 张 磊 　 赵海艳

(1.北京首钢国际工程技术有限公司，北京　100043；　2.山东沂蒙抽水蓄能有限公司，山东 临沂　273418；　3.北京农业职业学院，北京　102442)



某145 m跨储煤棚结构风荷载设计

张 渊1张家坤2张 磊1赵海艳3

(1.北京首钢国际工程技术有限公司，北京100043；2.山东沂蒙抽水蓄能有限公司，山东 临沂273418；3.北京农业职业学院，北京102442)

介绍了长治市某储煤棚的结构及外形尺寸，通过风洞试验，确定了风荷载分区平均风压系数，对比分析了基于随机振动理论与基于直接积分两种风振系数的计算方法，指出基于直接积分方法可获取大跨度储煤棚屋盖不同风向角下准确的风振系数。

储煤棚，风荷载，风振系数，大跨度结构

0　引言

长治市瑞达工业园区焦化项目煤场纵向长度为200 m，跨度方向为145 m，矢高46.259 m，基础顶标高为2.140 m，结构顶点标高为48.399 m。结构采用柱面三心圆网壳结构，相对于地震作用，风荷载对钢结构的应力将起控制作用[1]。此外由于该结构跨度较大，且现行规范也没有对应的体型系数，因此，须通过风洞模型试验测量结构表面的风压分布；并在此基础上，对结构进行风振响应分析，确定主体结构设计所需的等效静力风荷载[2]。

1　结构平面及外形尺寸

网壳采用正放四角锥体系，正放四角锥受力比较均匀，空间刚度大，制作安装方便。结构剖面如图1所示。

2　风荷载分区平均风压系数的确定

网壳内设置有煤堆且周边存在防尘网，风致干扰效应不容忽

视，现行GB 50009—2012建筑结构荷载规范已经不能提供相应的体型系数。因此，须通过风洞模型试验测量结构的体型系数。

风洞试验时设置2个工况分别进行测量，其中，工况一为设置防尘网无煤堆；工况二为设置防尘网有煤堆。试验中利用模型对称性，由0°～180°，每隔10°测量一次，每工况各进行19个风向角的测量，体型系数分区及风向角示意图如图2所示。

基于风洞试验结果，可获得平均风压系数，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值Wk应按式(1)计算：

Wk=βsμsμzW0=βsCpW0H

(1)

其中，Wk为风荷载标准值，kN/m2；βs为风振系数，需计算确定；μs为分区体型系数；μz为风压高度变化系数，具体取值可参见GB 50009—2012建筑结构荷载规范；Cp为分区平均风压系数；W0H为参考高度处的风压。

通过风洞试验给出了工况一和工况二下不同风向下分区平均风压系数。两种工况下典型的90°角风压系数见图3，图4[3]。

3　大跨度结构风振系数的计算方法

3.1大跨度结构风振系数的定义

根据规范定义，在工程应用中将风荷载的动力效应以风振系数β的形式等效为静力荷载，即风振系数为：

(2)

大跨度结构风振响应的计算方法主要包括基于直接积分原理的风速时程法和基于随机振动理论的频域方法。

3.2基于随机振动理论的风振系数计算方法

根据结构动力学知识可以得知，网壳结构有n个自由度，则其振型的数量也是n个。很显然，由于网壳的节点数目众多，组合所有的振型是不现实的。而且，低频率的振型对于风振响应的贡献较大，因此通常的做法是截取前m阶振型。MST软件，基于振型分解原理的频域方法，通过选取不同的截断模态数，计算得到的位移风振系数和内力风振系数如表1所示。

表1　基于随机振动理论确定的风振系数

由表1可知，随着结构参与振型的增加，结构风振系数随之增大。但是，增长的幅度随着截断振型数的增大越来越小。对于本储煤棚结构，振型截取至60后，风振系数基本上已经不再改变。

3.3基于直接积分方法的风振系数计算方法

分解原理的频域方法，常常涉及到模态截断，因此基于随机振

动理论的频域方法结果常常会有误差。鉴于此，为保证该煤棚结构的可靠度，尚应采用基于直接积分原理的分速度时程法来确定风振系数。有限元计算所采用的结构表面脉动风荷载时程源自风洞试验。结构上某节点风荷载时程如图5所示。有限元模型计算时采用瑞利阻尼。

根据时程分析结果和确定结构在各不利风向角下的极值响应及对应的整体风振系数如表2所示。

表2　各风向角下煤仓极值响应及风振系数

3.4两种风振系数计算方法的比较

比较基于随机振动理论确定的风振系数与基于直接积分方法的风振系数可知，后者的数值大部分均大于前者的计算结果，对于120°风向角，整体位移风振系数甚至达到了1.68。这是由于基于随机振动理论的频域方法，常常涉及到模态截断，该方法的结果会存在有误差。此外，该方法也不能提供不同风向角下的结构的风振系数。根据风洞试验结果，不同风向角下，结构不同部位所承受的脉动风压时程也不同，因此其所对应的动力效应也应不同。基于直接积分方法的风振系数可以很好的体现这一点。

4　结语

本文通过对145 m跨三心圆网壳结构分区平均风压系数风洞试验结果的分析及两种结构风振系数计算方法的比较分析，可以得出以下结论：1)大跨度储煤棚屋盖设计过程中，风荷载是主要荷载，其中煤堆及周围防尘网结构对其体型系数的干扰不容忽视，因此应该根据风洞试验获取其准确的风荷载分区平均风压系数。2)为获取大跨度储煤棚屋盖不同风向角下准确的风振系数，应采用基于直接积分方法的风振系数计算方法。

[1]张渊，赵海艳，宁志刚，等.考虑地震行波效应的145 m跨三心圆网壳结构时程分析[J].建筑结构，2015,45(21)：52-57.

[2]GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[3]山西长治煤棚风洞试验报告[Z].2015.

Wind load design of latticed shell with 145 m span for coal storage shed

Zhang Yuan1Zhang Jiakun2Zhang Lei1Zhao Haiyan3

(1.BeijingShougangInternationalEngineeringTechnologyCo.,Ltd,Beijing100043，China；2.ShandongYimengPumpedStorageCo.,Ltd,Linyi273418，China；3.BeijingVocationalCollegeofAgriculture,Beijing102442，China)

This paper introduced the structure and dimensions of a coal storage shed in Changzhi, through the wind tunnel tests, determined the mean wind pressure coefficients of wind load partitioning, comparative analyzed the calculation method based on random vibration theory and direct integration two kinds of wind vibration coefficients, pointed out that based on direct integration method could obtain accurate wind vibration coefficient of large span coal storage shed roof under different wind angles.

coal storage shed, wind load, wind vibration coefficient, long span structure

1009-6825(2016)19-0027-02

2016-04-29

张渊(1980- ),男，硕士，高级工程师，一级注册结构工程师

TU312

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