塔基础设计的水平荷载计算

　　摘要：本文就塔基础结构设计中水平荷载计算进行阐述,使设计者能够掌握塔基础设计工程中的关键点，从而，加深对塔基础的认识。

　　关键词：塔型设备,风荷载,地震作用

　　0 引言

　　塔设备是石油化工、石油工业、化学工业等生产中最重要的设备之一。塔设备由塔设备本体、塔设备附属构筑物(如操作平台、栏杆、梯子、管线等)、支持塔设备的基础这三部分组成。塔基础支持塔设备的全部荷载(包括垂直荷载、水平荷载等)，所以塔基础的设计非常重要，要求达到坚固、适用、经济和合理。

　　塔型设备属于高耸构筑物，在高耸构筑物计算中风荷载和地震作用的计算尤为重要。在塔基础的结构设计中，应根据使用中在结构上可能同时出现的荷载，按照承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合。

　　通过表1可以发现在塔基础结构设计中无论何种工况的组合都少不了风荷载。同时地震荷载在组合中往往起着决定性作用，《石油化工塔型设备基础设计规范》(SH3030-1997)中5.4.4列出了可不进行截面抗震验算的几种情况，说明在这几种情况下风荷载起决定因素。所以下面我们重点讨论风荷载作用和水平地震作用。

　　1 风荷载

　　露天放置的塔设备在风力作用下，将在两个方向上产生振动。一种是顺风向的振动，振动的方向与风流向的一致，另一种是横风向的振动，振动方向与风的流向垂直。前一种振动是常规设计的主要内容，后一种振动也称风诱发的振动，在工程界以前较少予以重视，但现在对诱发振动的研究日益受到重视，而在塔设备设计的时候考虑风诱发的振动已成为必然的趋势。

　　1.1 风向风荷载(常规风荷载计算)

　　《石油化工塔型设备基础设计规范》(SH3030-1997)5.3.1条给出了塔风荷载标准值计算的公式

　　Wk=βzμsμzμr(1+μe)(D0+2δ2)ωo

　　在这里仅就公式中几个系数计算须注意的问题阐述如下：

　　⑴风振系数βz

　　《石油化工塔型设备基础设计规范》(SH3030-1997)5.3.2条：当塔型设备的基本自振周期T1≥0.25s时，应考虑由脉动风引起的风振影响……

　　βz=1+ξε1ε2

　　首先要计算塔体的自振周期，判断是否需要考虑风振影响。在SH3030-1997附录A中给出了塔的自振周期计算公式，但都是针对壁厚δ1≤30mm的塔，对于我们现在结构设计中遇到的壁厚是δ2≥30mm的塔体的自振周期则没有提及，这就要另外寻找合适的计算方法了。规范《钢制塔式容器》(JB/T 4710-2005)是一本设备专业的规范，在这本规范中有计算塔式容器基本振型的自振周期：对于直径和厚度不变的每段塔式容器质量，可处理为作用在该段高度1/2处的集中质量。

　　H：塔式容器高度，mm

　　m0：塔式容器的操作质量，kg

　　(包括塔壳和裙座壳质量，内件质量，保温质量，平台扶梯质量，操作时塔内介质质量，人孔、接管、法兰等附属件质量，偏心质量)

　　Et：设计温度下材料的弹性模量，MPa

　　δe：圆筒或锥壳的有效厚度，mm

　　Di：塔壳内直径，mm

　　直径、厚度相等塔式容器的第二振型与第三振型可分别近似取T2=T1/6,T3=T1/18.

　　《石油化工塔型设备基础设计规范》附录A中圆筒(柱)式塔基础，δ1≤30mm：

　　我们可以对壁厚δ1≤30mm的塔分别用两本规范公式仅就圆筒(柱)式塔基础进行计算，做一下对比：

　　从表2可以看出一般设备规范计算出来的周期较塔基础规范计算出的周期长。且绝大多数塔周期都是≥0.25s的。

　　⑵脉动增大系数ξ

　　这个系数在《高耸结构设计规范》(GB 50135-2006)上可以查出，但要注意两点：

　　第一：对于ωoT2，对地面粗糙度B类可以直接代入基本风压，对于A类、C类、D类应分别乘以1.38、0.6和0.32.

　　第二：结构类别应选择无维护钢结构这项。

　　⑶振型、结构外形的影响系数ε2

　　这个系数在表格中是一个范围，在这个范围是根据地面粗糙度类别选取的具体数值的。从A~D，B类取1/4处，C类取1/2处。

　　⑷体型系数μs和风载扩大系数μe

　　这两个系数要放在一起说这牵扯到《石油化工塔型设备基础设计规范》和《高耸结构设计规范》上对μs取值的不同。

　　在《石油化工塔型设备基础设计规范》中明确规定μs取0.6，一般我们也按照这个取用。但是在《高耸规范》中体型系数选取表格4.2.7中有一项是明确为：石油化工塔型设备结构类型的。这一项是根据塔设备直径不同、塔体本身携带钢梯不同来选取μs，其最小值也要比0.6大很多。在注1中提及这个μs是包括了平台、扶梯等影响的单个塔型设备的。

　　对于不同规范的μs其取值依据是不同的，包含的意义也不同。在《塔基础》中是用μe来考虑独立平台、联合平台、钢斜(直)梯和管线等部分的风荷载的。在《高耸规范》中，这些因素都包含在μs这一个系数中的。也就是说《塔基础》规范中μs(1+μe)才相等于《高耸规范》中的μs。

　　由表3可以看出《高耸规范》计算出的数值要大些，同时也可以发现塔设备的直径越大，风荷载扩大系数影响越小;塔设备的直径越小，风荷载扩大系数影响越大。

　　在这里还是要提一下《钢制塔式容器》这本规范，在这本规范条文说明中提到，对于细长柱体结构，试验表明体型系数与雷诺数Re有关，当Re≤1.5x105时，μs=1.2;当Re≥4x105时，μs=0.7.对具有圆柱形截面的塔器，常遇到的雷诺数都大于4x105，所以规定μs=0.7。

　　如果把0.7代入上表，可以看出这是介于《塔基础》和《高耸》之间的一个数值。《钢制塔式容器》中扶梯、护栏操作平台也是另行考虑的。它的公式计算很细致，获取那么多细部尺寸对我们专业来讲比较困难，所以就没有列出公式。但是它的意义和《石油化工塔型设备基础设计规范》中的μs一致。

　　1.2 横风向风荷载

　　《石油化工塔型设备基础设计规范》中并没有提及考虑横风向风荷载，但是在《高耸结构设计规范》(GB 50135-2006)中4.2.11与4.2.12条提到了高耸结构应考虑由脉动风引起的垂直于风向的横向共振的验算。《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)(2006)7.6提出了对一些情况下圆形截面横风向风振(漩涡脱落)的校核。这表明对于大型塔型设备应该考虑到横风向风荷载的影响

　　对于圆截面柱体结构，当发生漩涡脱落时，若脱落频率与结构自振频率相符，将出现共振。漩涡脱落频率fs与风速v成正比，与截面的直径d成反比。同时雷诺数Re，斯托罗哈数St它们在识别其振动规律方面有重要意义。

　　所谓漩涡就是风吹过塔体表面速度减小压强增加在塔体后半周形成空白区，在逆向压强梯度的作用下，必然有倒流的流体来补充，倒流的流体又受到高压强的的影响而被推开，于是在塔体背后产生了漩涡。

　　发生横风向共振有两个条件：

　　第一，雷诺数Re≥3.5x106.

　　第二，结构顶部风速vH的1.2倍大于vcr，j。

　　产生横向风振后在垂直的横风向也产生风力，还可以产生风力矩，但是除重要的的特高的塔设备结构外，一般可不考虑它的影响。

　　1.3 双塔

　　这里的双塔是指间距比较近的两个独立的塔。由于工艺需要常常有些塔被布置到离的很近的位置，有时需要把两塔做成联合基础，这样对于这两个塔的风荷载会产生一定的影响。我们就不能仅就单个的塔进行计算，还要综合考虑两塔之间风荷载的变化，进行验算。

　　由并列双塔，当双塔间距S=D体型系数接近单塔的系数，但当S

　　前后双塔，对于前塔μs变化不大，但后面的塔μs则有变化，当S≤D/4时后塔μs变为负值，说明有“迎风倒”的趋势。(S指两塔之间的净距)。

　　2 地震作用

　　一般我们计算地震作用经常采用的方法大致为：

　　第一：底部剪力法，即首先根据结构的构造特点、重要性、动力特性、重量、地基条件及设计烈度等因素求出结构的底部剪力，亦即结构所受的总的地震剪力，然后将此总地震作用按某种规律分布给结构各质点。

　　第二：振型分解反应谱法。即首先求出各振型的最大反应，然后按某种方式进行组合。

　　2.1 底部剪力法

　　在使用此方法时须注意采用多质点体系计算，取总重力荷载代表值的85%进行计算，单质点体系则不必。

　　这样对多质点体系总重力荷载代表值进行取用，反应了多质点体系底部剪力值与对应单质点体系(质量等于多质点体系总质量，周期等于多质点体系基本周期)剪力值的差异。

　　2.2 振型反应谱法

　　振型反应谱理论的基本假定是：结构地基相等于刚性平面，各点的运动完全一致;地面运动过程可以用强震观测仪器的记录来表示;并假定结构是弹性的。

　　在确定塔设备的地震作用时，并不需要考虑所有的高振型，一般只需考虑它的第一、第二振型，必要时最多再考虑第三振型就足够了。这是根据一般结构水平振动的频谱特点和地面运动的主要周期特性得出的。

　　这里Xji：j振型i质点的水平相对位移可以按照《塔基础设计与计算》表2-52选取。

　　2.3 地震影响系数α

　　地震影响系数α可以按照《建筑抗震设计规范》5.1.5条计算，但是《抗震规范》并没有明确塔的阻尼比ζ的取值。不过在《钢制塔式容器》这本规范条文说明中提及，塔式容器是属于高耸的柔性结构，因此塔式容器的阻尼比较标准设计反应谱所采用的ζ=0.05来得小。因此推荐ζ=0.01。

　　3 结语

　　本文对于塔式设备基础结构设计中风荷载、地震作用计算涉及的方面进行了简单的总结。

　　1、对于位于框架内的塔，一般借助楼层或在楼层上做操作平台，塔设备本身平台较少。在计算风荷载时一般选用《石油化工塔型设备基础设计规范》中μs=0.6，再结合扩大系数。如果是独立在框架外的塔设备，一般选用《钢制塔式容器》中μs=0.7，但是计算公式还是用《石油化工塔型设备基础设计规范》中风荷载的计算公式。如果塔设备很高、平台、管道荷载很大会酌情选用《高耸结构设计规范》的计算方法。塔毕竟是设备不属于结构，对于使用《高耸规范》还要斟酌。

　　2、当计算双塔联合基础时，即使是两个独立的塔设备，也要根据塔间距考虑风荷载体型系数的互相影响。避免风荷载计算偏小。

　　3、计算地震作用时一般用两种方法都计算，并比较一下，选取一个大的。如果阵型反应谱法比底部剪力法小的多，会再加一个阵型计算，然后再进行比较。

　　参考文献

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《塔基础设计的水平荷载计算》

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