钢结构冷换框架风荷载计算方法的应用比较

张志成

（上海河图工程股份有限公司， 上海 201203）

钢结构冷换框架（以下简称构架）是石油化工生产装置中常见的构筑物，构架呈敞开布置，结构构件和附件、设备和管线均暴露在风荷载作用环境下，故在风荷载计算时存在非常大的不确定性和不均匀性[1]。构架风荷载计算有三种常用方法：第一种是参照封闭结构并考虑挡风面积和体型系数差异而乘以调整系数的计算方法（以下简称综合挡风系数法）；第二种是按照《石油化工钢结构冷换框架设计规范》SH/T 3077-2012 附录A 中的计算方法[2]（以下简称SH/T3077 算法）；第三种是按照《石油化工建（构）筑物结构荷载规范》GB 51006-2014 附录B 的计算方法[3]（以下简称GB51006 算法）。这三种方法在原理和使用上都存在一些不同，本文通过案例计算对比，分析计算过程和结果的差异。

1 常用的三种风荷载计算方法

1.1 综合挡风系数法

挡风系数φ指各构件净投影面积An 与结构轮廓面积A 的比值，在《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012 表8.3.1 中的33 项和35 项对不同挡风系数的桁架和塔架分别给出了风荷载体型系数[4]。对于冷换框架而言，其结构构件的数量远多于桁架和塔架，布置不均匀、设备和管线挡风面积占比大、体型系数差异明显，故挡风系数非常离散，难以通过挡风系数得出合适的整体风荷载体型系数。因此可以引入一个综合挡风系数μa，在传统的挡风系数基础上，综合考虑体型系数差异以及构架与设备布置情况，就能相对更准确地体现冷换框架的特性。作用于构架每层的风荷载FK可按下式计算：

式中：βz 为风振系数；μs 为按封闭结构的体型系数，取1.3；μz 为风压高度变化系数；WO 为基本风压；A 为构架轮廓投影面积；μsi 为结构构件和附件、设备和管线的体型系数，可以酌情考虑遮蔽带来的折减；Ai为结构构件和附件、设备和管线的挡风面积。

1.2 SH/T3077 算法

SH/T 3077 规定构架上的风荷载应包括梁、柱、斜撑、栏杆和设备承受的风荷载，计算风荷载时应考虑前后榀框架、前后设备的遮挡，并提供按该标准附录A近似计算构架每层节点上的风荷载标准值，可近似按下式计算：

式中的A1、A2、A3、A4、A5 分别为梁、柱、斜撑、栏杆、设备的折算挡风面积。风横向作用时，A1、A2、A3、A4 按该标准中表A.2-1 的规定计算，A5 按表A.2-2 的规定计算。风纵向作用时，A1、A2、A3、A4 按表A.3-1 的规定计算，A5 按表A.3-2 的规定计算。框架部分的折算挡风面积与跨数、层高、构件尺寸相关，并考虑了部分体型系数的折减。设备部分的折算挡风面积与类型、台数和外形尺寸相关，对于多台设备考虑一定的遮档。

1.3 GB51006 算法

GB 51006 规定构架风荷载应包括结构构件和附件风荷载、设备和管道风荷载。对于单榀构架，结构构件包括柱、梁、支撑以及平行于风向的支撑，附件包括栏杆、梯子。当构架按整体计算风荷载时，结构构件和附件的风荷载可按该标准附录B 的规定计算。作用于框架整体的风荷载Fk1 可按FK1=βzμswμzWOAS计算。式中：AS为挡风面积，应取迎风面第一榀框架挡风面积和各榀框架挡风面积平均值的较大值；μsw 为整体体型系数，根据S/B、φ、N 等参数查附表B.0.1 得到；S 为与风平行方向框架的跨度，宜取迎风向第一跨跨度和框架平均跨度的较小值；B 为与风垂直方向框架的轮廓宽度，可取各层轮廓宽度的平均值或多数层的轮廓宽度；φ为挡风系数，由As 除以轮廓面积得到；N 为与风向垂直的框架总榀数。

构架上设备和管线的风荷载FK2 可分层逐个计算，计算方法与采用综合挡风系数法时相同，管道挡风面积可按设备挡风面积10%计算。设备和管道的风荷载还应根据框架布置进行折减，顶层平台的设备和管道、风沿冷换设备纵向作用且迎风面无支撑时的设备和管道可不折减，折减系数可按计算。

采用该方法时，宜取一个主方向构架风荷载与另一个主方向结构构件和附件风荷载的50%共同作用。

2 案例对比计算

2.1 工程项目概况

沿海某石油化工项目，基本风压0.75kPa，地面粗糙度A 类。构架采用横向框架支撑、纵向纯框架体系，横向单跨8.7m，纵向3×7.5m，三层层高分别为7m、7m、6m。一层布有1 台卧式容器和4 台重叠布置的换热器，二层布有6 台单台布置的换热器，三层布满空冷器。构架的平立面布置、结构构件和设备尺寸参数见图1。

通过软件初步分析得到构架X 向（纵向）自振周期为1.44s，Y 向（横向）自振周期为0.36s。根据GB 50009 中8.2.1 条可查得风压高度变化系数 ，根据GB 50009 中8.4.1～7 条可算得风振系数βz，结果见表1。

表1 高度变化系数和风振系数

2.2 综合挡风系数法的计算

冷换框架一般采用横向受力体系，大部分的设备梁和平台梁沿纵向布置，而设备梁截面高度较大，风沿构架横向作用时，有必要计入设备梁的挡风。斜梯体型系数取1.3，横向挡风面积可按斜梯高度取0.5m2/m，纵向挡风面积可按水平投影长度1.0m2/m。钢栏杆体型系数取1.3，挡风面积根据长度取0.26m2/m。

卧式设备轴向的体型系数取1.3，挡风面积为轴向投影面积。卧式设备纵向的体型系数取0.7，当多台时布置时仅对最大一台取0.7，其余取0.25，挡风面积取设备外径乘以设备长度。空冷设备体型系数取1.3，挡风面积可按布置长度按2m2/m考虑。设备支座的体型系数取1.3，挡风面积横向取设备面积的80%、纵向取设备面积的10%。管线体型系数取0.7，挡风面积取设备面积的10%。

采用综合挡风系数法的层间风荷载计算过程和结果见表2。

表2 综合挡风系数法的层间风荷载计算

2.3 SH/T3077 算法的计算

采用SH/T3077 算法计算时，计算公式中已包含构件和设备的体型系数，并考虑一定的折减。卧式设备的折算挡风面积只给出了DN≤800 和8001200 的设备，以800

采用SH/T3077 算法的轴线节点风荷载计算过程和结果见表3。

表3 SH/T3077 算法的轴线节点风荷载计算

2.4 GB51006 算法的计算

采用GB51006 算法计算时，先计算结构构件和附件的风荷载，然后再计算设备和管线的风荷载。整体体型系数μsw 需要根据挡风系数φ、迎风面宽与迎风各榀框架间距比值S/B、迎风框架榀数N 三个参数来查表获得，查表时需要三次使用插值法。

设备与管线体型系数取值、挡风面积取值与采用综合体型系数法时相同，但在风纵向作用时，一层、二层的设备和管线风荷载需要再乘以折减系数。最后在主导风向考虑构件和附件、设备和管线的风荷载时，在另一个主方向宜考虑50%的构件和附件的风荷载共同作用。

采用GB51006 算法的层间风荷载计算过程和结果见表4。

表4 GB51006 算法的层间风荷载计算

ηeFK2 (kN) 45 46 138 9 11 85 横FK (kN) 153 225 369 54 92 122 纵FK (kN) 54 90 116 118 195 329

2.5 计算结果对比

表5 三种算法计算结果对比

根据表5 的计算结果对比，可见综合挡风系数法算得的总风荷最大，SH/T3077算法在横向降低10%、纵向降低24%，GB51006 算法在横向降低12%、纵向降低33%。

分析SH/T3077 算法风荷载降低的主要因素有：

1) 多跨结构的柱、梁、支撑考虑了体型系数的折减。

2) 多台设备并列时考虑了体型系数的折减。

3) 对超过1.2m 直径的设备未给出风荷载组合方法，计算时按比例换算后叠加。

4) 对于斜梯、设备支座等必要构件，未给出风荷载考虑方法，计算时未考虑。 分析GB51006 算法风荷载降低的主要因素有：

1) 结构构件和附件考虑了较大的体型系数折减。

2) 风纵向作用时，一层、二层的设备和管线风荷载折减非常多。

3) 对比结果中未考虑另一个方向50%的构件和附件风荷载。

4) 未考虑构架横纵向布置的差异。

3 结论与建议

综合挡风系数法计算过程简单，风荷载考虑全面，综合挡风系数在结构整体软件分析时使用便利。但该方法基本按实际挡风面积考虑，较少考虑相互间遮蔽，仅对风纵向作用时多台设备的体型系数进行了折减，总风荷载计算偏保守。

SH/T3077 算法对框架部分风荷载的准确性有所提高，设备部分的计算比较简便，得到的轴线节点风荷能良好地体现框架风荷载分布的不均匀性。但该方法没有给出对斜梯、设备支座风荷载的考虑方式，对于大直径设备如何叠加风荷载也没有给出方法。规模较大时节点风荷的方式计算量较大，对于结构整体软件分析时使用较繁琐。

GB51006 算法能更周全地考虑构架空间布置，从而得到相对准确的整体体型系数，对设备的风荷载折减以及考虑非主方向风荷载参与共同作用的方法，使风荷载更加接近于实际状态。但该方法未考虑构架横纵向的布置差别，计算过程较为复杂、系数比较多，有无支撑对中间层设备风荷载的折减影响较大，可能出现有支撑但折减后反而低于无支撑时的反常情况。

根据计算原理、案例计算和结果分析，这三种方法各有优势和劣势：综合挡风系数法适用于规模不大、设备不多、布置规则的冷换框架，使用时宜根据经验考虑一定的风荷载折减；SH/T3077 算法适用于结构布置不规则或设备布置不规则的冷换框架，使用时需要额外考虑到斜梯、支座、大直径设备的风荷载；GB51006算法适用于规模较大、跨数较多、布置规则的冷换框架，使用时需要额外考虑横纵向的差异，并对设备风荷载合理折减。