程应厕 Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ 石油化工设计 反应器再生器框架结构风荷载的两种计算方法 尚洪坤，代志旭，尹在东，黄林贤，张红卫 （中国石油华东设计院，山东青岛２６６０７１） 摘要：风荷载是影响高层钢结构建、构筑物设计的主要因素，风荷载计算方法的不同，将直接影响设 计的计算结果、计算效率及其准确性。笔者根据石化装置反、再框架结构特点，归纳了两种结构构件体型 系数的计算方法，确定并推荐了一种风荷载计算方法。 关键词：两器框架风荷载体型系数计算方法反应器再生器 本文分别参考《建筑结构荷载规范》、《高耸结 构设计规范》、《石油化工反应器再生器框架设计 规范》、《石油化工企业钢结构冷换框架设计规范》 等规范中规定的风荷载计算方法 ］，结合反、再 框架构件的特点，分析归纳了不同构件风荷载平 构，混凝土部分为框架结构，共５层，顶部标高为 ２２．２５ ｍ；钢结构部分共１７层，组合截面焊接型钢 柱，柱顶标高８３．１２ ｍ；再生器部分为全钢结构，共 ２６层，组合截面焊接型钢柱，柱顶高９３ ｍ。反、再 框架结构整体侧视图见图２。 均体型系数的计算方法。将两种计算方法对结构 侧移的影响进行了对比分析，提出了一种针对反、 再框架结构的准确、简洁的风荷载计算方法。 １工程概况 （１）平面布置。本文中的反、再框架结构是广 西１Ｏ．Ｏ０ Ｍｔ／ａ炼油项目２．６０ Ｍｔ／ａ连续重整装置 的反应器、再生器框架，结构尺寸（１ｂｈ，ｍｍ）：３２００ ×１７５０×９３００，钢柱平面布置见图１。 卜＿十一—ｈ＋一斗一‘——｝＿ｒ＋ 、 图２反、再框架侧视图 Ｈｌ一 壬—＋＿—卜＇一 、（３）组合柱截面的类型。组合截面柱：０—３０ ｎｌ范围采用截面Ａ（图３）；３０～６０ ｍ范围采用截 面Ｂ（图３）；６０～９０ ｍ及以上高度范围采用截面Ｃ （图４）；附属管桥及电梯间部分（１轴线、４轴线及 【 【 一 一 ｌ ｃ 珏一斗＊＿一 十。 Ｆ轴线）采用截面Ｄ（图４）。 （４）设计参数。基本风压：０．７５ ｋＮ／ｍ ，抗震 一 设防：７。，地震加速度：０．１０９ ｇ，地震分组：第一组； 地面粗糙度：Ａ类（二类地区）。 ｝。 收稿日期：２０１２—０２—０８。 作者简介：尚洪坤，男，２００６年毕业于贵州大学空间结 图１钢柱平面布置图 （２）柱截面类型。反、再框架由反应器框架、 再生器框架组成，两个框架结构连接在一起，共同 构成了反再框架。反应器框架部分为钢一混结 构研究中心结构工程专业，硕士，工程师，现从事石油 化工行业结构工程专业设计工作。联系电话：０５３２— ８０９５３０４９：Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈａｎｇｈｏｎｇｋｕｎ＠ｃｎｐｃｃｅｉ．ｃｎ 第２９卷 尚洪坤等．反应器再生器框架结构风荷载的两种计算方法 ・３１・ 系数下的计算结果相同，即： ｓｌＡ１０９ｏ＋／ｚ皿Ａ２（￡Ｊ０＋］．ｚｓ３Ａ３ｗ０＝ｌｘｓＡａ￣０ （１） 其中 ＆ ∞分别为不同构件的体型系数；Ａ Ａ 、 Ａ 分别为不同构件的挡风面积；Ａ为总挡风面积： Ａ＝Ａ１＋Ａ２＋Ａ３ 图３截面Ａ／Ｂ尺寸示意 ｌ ０ｏ（Ａ）／３００（Ｂ）；２＿３２４（Ａ）／４２４（Ｂ）；３＿２，２，５５。； （２） （３） 贝０ ＝（ １Ａｌ＋／ｚ显Ａ２＋ 彤Ａ３）／Ａ 式（３）表明，可根据各类型构件挡风面积占总 ４＿＿３６；５－＿３Ｏ；６ ８８；７＿＿６４０（Ａ）／５４０（Ｂ） 构件挡风面积的比例计算构件的平均体型系数。 ２ 一 ／ ｌ ｎＩ ４ 图４截面Ｃ／Ｄ尺寸示意 ｌ一３０（Ｃ）／３０（Ｄ）；２—２，２，５５。；３—３Ｏ； ４—６８８（ｃ）／６４０（Ｄ）；５—４ｏ０ ２构件体型系数的计算 本文涉及的构件形式有：（１）焊接组合型钢截 面柱（截面Ａ、截面Ｂ）；（２）焊接Ｈ型钢柱（截面 Ｃ、Ｄ）；（３）钢管支撑（ ＝２９９×１２， ＝２４５×１２； ＝２０３×１２）；（４）Ｈ型钢梁，主要用于层间梁。 ２．１ 总体挡风系数的计算 根据试算的结构模型，统计其构件的型号及 数量。以横向风（东一西）为例，计算结构构件的 挡风系数。经计算，结构横向迎风面（重叠部分构 件取迎风向较大构件尺寸）总挡风面积： １１１３．７６ ＩＴＩ ，轮廓面积：２８７２．６ ｍ ，挡风系数： ０．３８７７１８。 ２．２组合型钢柱截面体型系数的计算 由于组合型钢柱截面尺寸较大，其自身构造 特点已较接近构筑物，参考《建筑结构荷载规范》 中塔架的体型系数选取，并查附表：（１）组合截面 型钢（截面Ａ、Ｂ）：２．２—０．２×（０．３８７—０．３）／ｏ．１ ＝２．０２；（２）对于普通型钢（除截面Ａ、Ｂ外的其它 梁、柱构件），其体型系数取：１．３；（３）圆管构件（钢 管支撑）：０．６（见参考文献［３］中６．４．９条说明）。 ２．３构件平均体型系数的确定 根据各杆件挡风面积所占的比例，来计算构 件平均体型系数。在风荷载的作用下，构件单独 体型系数下风荷数的计算结果应与构件平均体型 经过计算，构件的平均体型系数／ｘ ＝１．５。 ２．４风压高度变化系数的计算 参考《建筑结构荷载规范》的条文说明 （Ｐ１６１）［１１，根据风荷载相关系数的计算公式，可得 风压高度变化系数的相关数据，见表１。 表１风压高度变化系数数据 层 层高／ｚ （风压高 ｚ（振型 （风 风压 ｍ 度变化系数） 系数） 振系数） 强度 ｌ ４．５ １．１３８５０６ Ｏ．０ｏ３９３ １．００４７５８ Ｏ．８５７９４２ ２ ９ １．３４＿４５６７ ０．０１５２５ １．０１５６３４ １．Ｏ２４１９１ ３ １３．５ １．４８１９８７ ０．０３３２８ １．０３０９５６ １．１４５８９７ ４ １８ １．５８７９２４ ０．０５７３７４ １．０４９８ｏ６ １．２５０２５９ ５ ２２．５ １．６７５２８３ ０．０８６９１７ １．０７１５ｌ８ １．３４６３２１ ５ ２７ １．７５０２１６ ０．１２１３２７ １．０９５５５８ １．４３８０９７ ７ ３１．５ １．８１６１８ Ｏ．１６ｏｏ５７ １．１２１４８３ １．５２７６ｌ１ Ｓ ３６ １．８７５３２６ Ｏ．２Ｏ２５９１ １．１４８９１６ １．６１５９４４ 》 ４０．５ １．９２９Ｏ９４ Ｏ．２４８４４５ １．１７７５３ｌ １．７０３６７７ １０ ４５ １．９７８４９６ ０．２９７１６９ １．２０７０４６ １．７９１１０２ ｌ１ ４９．５ ２．０２４２７５ ０．３４８３４６ １．２３７２１４ １．８７８３４６ １２ ５４ ２．０６６９９２ ０．４０１５９２ １．２６７８２１ １．９６５４３２ ｌ３ ５８．５ ２．１０７０８３ ０．４５６５５４ １．２９８６８２ ２．０５２３２３ １４ ６３ ２．１４４８９５ ０．５１２９１４ １．３２９６３８ ２．１３８９５ １５ ６７．５ ２．１８０７０６ ０．５７０３８６ １．３６ｏ５５４ ２．２２５２２６ １６ ７２ ２．２ｌ４７４７ ０．６２８７１６ １．３９１３１７ ２．３ｌ１０６１ １７ ７６．５ ２．２４７２０７ ０．６８７６８３ １．４２１８３６ ２．３９６３７ ｌ８ ８ｌ ２．２７８２４６ ０．７４７１０１ １．４５２Ｏ４ｌ ２．４８１０７９ １９ ８５．５ ２．３０８０ｏ２ ０．８０６８１４ １．４８１８７７ ２．５６５１３１ ２０ ９０ ２．３３６５９ ０．８６６７ １．５ｌｌ３１ｌ ２．６４８４８５ ２ｌ ９４．５ ２．３６４１１１ ０．９２６６７ １．５４０３２６ ２．７３ｌ１２６ ２２ ９９ ２．３９０６５４ Ｏ．９８６６６７ １．５６８９２２ ２．８ｌ３Ｏ６１ 注：风压强度＝Ｏ．７５／．ＬｚＡ￣ｚ。 ３两种风荷载的计算方法 根据４种规范（参考文献［１］￣［４］）中规定 的风荷载计算过程，总结了两种计算方法：桁架整 体计算法（Ａ）；分层计算法（Ｂ）。分别应用两种方 法对结构的横向风荷载进行加载和计算，并将计 算结果编制成统计数据，加以对比分析。 ３．１桁架整体计算法（方法Ａ） 按照《建筑结构荷载规范》中桁架结构风荷载 的计算方法计算框架结构的整体体型系数，并整 体施加风荷载。设Ⅳ榀平行桁架的整体体型系数 石油化工设计 第２９卷 ／ｘ ，贝０： ＝／ｘｓ（１一 ｒ７ ）／（１一叼）＝ ｓ（１一叼 ）／ 用表（中间数值可按插值法计算），可计算桁架结 构的整体体型系数，计算结果见表２。 Ⅳ（榀数） （１一叼）。根据文献［１］中（Ｐ３７）第３２条规定的叼 表２横向整体体型系数 ｂ／ｈ＜１ ２ ３ ４ ５ ６ （挡风系数） Ｏ．２ ０．３ Ｏ．４ ０．５ 叩 ０．８５ ０．６６ Ｏ．５ ０．３３ 整体体型系数 ０．５５５ ０．７４７ Ｏ．９ ０．９９７５ ０．７７ｌ７５ ０．９４３０２ １．Ｏ５ １．０７９１７５ ０．９５５９８８ １．０７２３９３ １．１２５ １．１０６１２８ １．１ｌ２５８９ １．１５７７８ １．１６２５ １．１１５０２２ １．２４５７０１ １．２１４１３４ １．１８ｌ２５ １．１１７９５７ ０．６ ０．１５ １．０３５ １．０５５２５ １．０５８２８８ １．０５８７４３ １．０５８８ｌ】 注：横向每榀整体挡风系数：０．３８９；构件平均体型系数：１．５；ｂ／ｈ为宽高比。 以桁架整体体型系数、风压高度变化系数的 计算结果，按文献［１］Ⅳ榀平行桁架的风荷载计算 法，在ｓｔａａｄ／ｐｒｏ软件中按封闭式结构加载计算。 ３．２分层计算法（方法Ｂ） 根据文献［３］中规定的风荷载计算方法，将 梁、柱、支撑、栏杆上作用的风荷载简化作用到各 层平台梁（本文简化到各层梁柱节点处），由于反 应器框架、再生器框架及楼梯问框架中间有很多 错层，且结构层高变化复杂，故采用简便计算方 法，即按５ ｍ层高计算风荷载，并将每层风荷载简 化到两侧梁柱节点处。根据每跨整体体形系数、 挡风面积及风压高度变化系数逐层计算风荷载， （ａ】ｚ－１ （ｈ）ｚ－２ 图５反再框架的两根柱子 表４柱侧移数据 ｚ一１侧移 ３．５ ２．３７ ２．６４２ ３．５ ｚ一２侧移 ０．６８８ ０．７４９ 并均分到两侧梁柱节点上，计算结果见表３。 表３节点荷载 轴线编号 Ｆ Ｅ Ｄ Ｃ 高度／ｍ 方法Ａ／ｒａｍ 方法Ｂ／ｒａｍ 高度／ｍ 方法Ａ／ｒａｍ 方法Ｂ／ｒａｍ ７．２５ １Ｏ．５ １１ ４．９０５ ７．１ｌ２ ７．４５８ ５．４７７ ７．９３５ ８．３１６ ７．２５ ｌＯ．５ ｌｌ ２．４４ｌ ４．４１８ ４．７３９ ２．６５４ ４．８０３ ５．１５３ 荷载／ｋＮ ３０ ｍ以下 ６０ ｍ以下 ９０ ｍ以下 １０．０６１７４ ３２．４６６６１ ４２．４０７９４ ４１．ｏｏｌ１ 顶层 １０．１３７９７ ４２．５２６３８ ６２．４５０４５ ３５．４ｌｏｏ８ １３．５ ｌ８．５ ２２．２５ ９．２４４ １３．１６４ １６．０９９ １０．２８８ １４．７０２ １８．０３５ ｌ３．５ １８．５ ２２．２５ ６．３８ｌ ９．４２６ ｌ１．４２ ６．９４２ １Ｏ．２７ ｌ２．５０５ １５．６０３４８ ５０．３４８３７ ６５．７６５ｌ３ ６３．５８３４５ ２０．２７５９４ ６５．４２５２ ８５．４５８５ｌ ８２．６２３５２ ２６．２５ ３Ｏ．５ １９．４２７ ２３．２４７ ２１．８ｌ４ ２６．２１１ ２６．２５ ３Ｏ．５ １４．９ｌ１ １９．Ｏ４２ １６．５４９ ２１．３５２ ３１．１ ３４．８ ２３．８２ｌ ２７．６３３ ２６．８８ ３１．２７７ ３１．１ ３４．８ ｌ９．６２ ２３．２８７ ２２．０２６ ２６．３２ Ｂ Ａ ４２．３７０６４ ２１．３７２６１ ６５．７０７２９ ３３．１４４０８ ８５．３８３３５ ４３．ｏ６９０８ ４２．６９１６７ ２１．５３４５４ ３９．２５ ４２．２５ ４３．１ ４５ ４７．４ ４８ ５Ｏ．８５ ５４ ５７．５ ６０．７ ６２．５ ６５．５ ６８．５ ７１．６ ７４．３ ７７ ８Ｏ．６ ８４．６ ８６．６ ９０ ３２．８９７ ３６．６７４ ３７．７７６ ４０．２８２ ４３．５１４ ４４．３３ ４８．２７３ ５２．７６６ ５７．８９６ ６２．５３８ ６５．０３３ ６９．３１４ ７３．６６７ ７８．１８５ ８２．１１４ ８６．０３４ ９１．２０８ ９６．８８７ ９９．７２６ １ｏ４．１９８ ３７．３０９ ４１．６２７ ４２．８７９ ４５．７２５ ４９．３７５ ５０．２９６ ５４．７２９ ５９．７６ ６５．４６６ ７０．６４６ ７３．５４１ ７８．４１９ ８３．３４２ ８８．４１５ ９２．７９８ ９７．１２７ ｌ０２．８１５ １０９．０３７ ｌ１２．１０４ ¨７．２６ ３９．２５ ４２．２５ ４３．１ ４５ ４７．４ ４８ ５０．８５ ５４ ５７．５ ６ｏ．７ ６２．５ ６５．５ ６８．５ ７１．６ ７３．６ ７４．３ ８０．６ ８４．６ ８６．６ ９０ ２７．９３９ ３１．２９６ ３２．２４５ ３４。３９ｌ ３７．Ｏ６３ ３７．６９２ ４０．８６５ ４５．Ｏ６２ ４９．８９ ５４．２５ｌ ５６．８５５ ６１．１８９ ６５．３７７ ６９．７ｌ２ ７２．４８６ ７３．４３７ ８２．１３ ８７．５７ ９０．２３３ ９４．７３６ ３１．７９ ３５．７３４ ３６．８４５ ３９．３５６ ４２．４６５ ４３．１９６ ４６．８７３ ５１．７３４ ５７．３０６ ６２．３５１ ６５．３８７ ７０。４３５ ７５．３ｌ ８Ｏ．３ｏ９ ８３．４８７ ８４，５７７ ９４．４３９ ｌｏ０．６１５ １０３．６４５ １０８．７７９ 在ｓｔａａｄ／ｐｒｏ软件中，将节点荷载施加在结构 上进行计算分析。 ４计算结果分析 ４．１柱侧移数据 取反、再框架的两根柱子：ｚ一１【见图５（ａ）］、 ｚ一２［见图５（ｂ）］作为对象，研究其在横向风荷载 的作用下，结构柱的侧移随高度的变化规律。 横向风荷载作用下，利用两种风荷载计算方 法（Ａ、Ｂ），将ｚ一１、ｚ一２梁柱节点处的侧移计算 结果进行统计，结果见表４。 ９３ ９６ １０８．１ｌ７ ｌ１２．Ｏ３ １２１．７３７ ｌ２６．１７５ ９３ ９６ ９８．６７７ １０２．５４３ ｌｌ３．２８４ １１７．７Ｏ２ 第２９卷 尚洪坤等．反应器再生器框架结构风荷载的两种计算方法 ４．２两种计算方法的对比 两种风荷载计算方法下，Ｚ一１、Ｚ一２的侧 移一高度对比曲线见图６（ａ）和图６（ｂ）。 １４Ｏ １２０ 盐８０ 星６０ Ｎ加 ２０ 柱１节点高度， （ａ）Ｚ－１曲线 图６ Ｚ一１和Ｚ一２侧移一高度曲线 ｌ一方法Ａ；２一方法Ｂ ５结语 （１）桁架整体计算法（方法Ａ），符合《建筑结 构荷载规范》要求，计算相对简单，风荷载的施加 在软件中易实现，风荷载加载效果见图７。 图７桁架整体计算法（方法Ａ）加载 （２）通过对桁架整体计算法（Ａ）与分层计算 法（Ｂ）的位移～高度变化曲线的对比，可以看出方 法Ｂ柱的侧移值整体较方法Ａ大（约６％一７％）。 这是因为方法Ｂ是将每层的风荷载转化成作用于 柱的节点荷载的方式施加的。为简化计算，均以 ５ ｉｎ为层高，共２０个（１００ ｍ）荷载点进行计算。但 实际结构层高分布非常不均匀，平均层高小于５ ｍ，造成实际施加的节点荷载数量增加，故作用在 结构上的荷载超过计算的荷载值，使结构位移偏 大。风荷载加载见图８。 图８分层计算法（方法Ｂ） （３）由图６可看出，结构底部位移一高度曲线 倾角较小，上部较大。说明结构底部刚度较上部 大，这主要是由于Ｆ轴为附属管桥，高度约４０ ｍ， 使０～４０范围结构刚度增大。 （４）两种计算方法的比较。 １）桁架整体计算法，将几榀平行桁架的体型 系数换算成桁架整体体型系数，在迎风面加载，风 荷载计算较简单，符合规范要求；风荷载在软件中 的施加方法也相对简单，特别是体型复杂、迎风面 榀数随高度变化较大的结构，可针对不同区域分 别定义不同的体型系数，分区域施加风荷载，保证 了风荷载与实际受力一致，计算结果相对准确。 ２）分层计算法，需统计所有构件的型号、迎风 面尺寸，然后分层计算，对于错层较多的结构，计 算过程比较繁琐，节点荷载较多，逐个施加较麻 烦，分区施加风荷载难度较大，计算结果误差较 大。根据反、再框架结构的特点，建议采用桁架整 体计算法（方法Ａ）进行结构计算。用此法计算的 广西ｌ０．Ｏ０ Ｍｔ／ａ炼油项目２．６０ Ｍｔ／ａ连续重整装 置的反应器、再生器框架，已投产２年多了，目前 工作状况良好。 参考文献： ［１］ＧＢ ５０００９－－２００１建筑结构荷载规范［ｓ］．北京：中国建筑工 业出版社，２００６：２４～４７． ［２］ＧＢ ５０１３５－－２００６高耸结构设计规范［ｓ］．北京：中国计划出 版社。２００７：１７—３６． ［３］ ＳＨ／Ｔ ３０６６－－２００５石油化工反应器再生器框架设计规范 ［ｓ］．北京：中国石化出版社，２００６：７～９． ［４］ ＳＨ３０７７－－１９９６石油化工企业钢结构冷换框架设计规范 ［ｓ］．北京：中国石化出版社，１９９６：１８—１９．
