韓曉宇, 李 波,2, 劉振華, 徐龍河,2
(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 北京,100044) (2.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程與城市風(fēng)環(huán)境北京市重點實驗室 北京,100044)
(3.中國寰球工程有限公司 北京,100029)
工業(yè)廠區(qū)有大量管架,用于支撐管道和設(shè)備,見圖1。風(fēng)荷載是該類工業(yè)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制荷載之一,但由于構(gòu)件眾多,管架風(fēng)荷載的遮擋效應(yīng)十分顯著,不考慮遮擋效應(yīng),往往會過高估計風(fēng)荷載,顯著增加沿海等基本風(fēng)壓高地區(qū)的工程造價。
圖1 工業(yè)管架Fig.1 Industrial pipe racks
Holmes[1-3]系統(tǒng)研究了格構(gòu)式塔架的順風(fēng)向響應(yīng),為該類結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計理論奠定了基礎(chǔ)。遮擋效應(yīng)是格構(gòu)式結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性研究的重點。文獻[4-8]通過風(fēng)洞試驗研究了格構(gòu)式結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載。Demirtas[9]認(rèn)為現(xiàn)有的阻力系數(shù)偏于保守,通過風(fēng)洞試驗給出遮擋系數(shù)予以折減。為準(zhǔn)確描述格構(gòu)式結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載提供了有效途徑,Celio等[10]研究了風(fēng)向角、透風(fēng)率對塔架遮擋系數(shù)的影響。李正良等[11]則研究了不同遮擋距離對格構(gòu)式塔架風(fēng)力系數(shù)的影響。Prad'homme等[12-13]還研究了不同構(gòu)件的風(fēng)荷載遮擋系數(shù)。程志軍等[14]通過氣動彈性模型試驗研究了格構(gòu)式塔架的體型系數(shù)及遮擋系數(shù)。可以看出,遮擋效應(yīng)是格構(gòu)式結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性研究的重點,風(fēng)洞試驗是主要研究方法。
現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)[15]給出了單榀及多榀平行桁架的體型系數(shù),并給出了多榀平行桁架的遮擋系數(shù)。工業(yè)廠區(qū)管架構(gòu)件眾多,依據(jù)該規(guī)范,風(fēng)荷載的計算較為繁瑣。為此,《石油化工建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB51006—2014)[16]專門提供了兩種方法來確定工業(yè)管架的風(fēng)荷載,即常規(guī)方法和整體計算方法,其中:常規(guī)方法仍以《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》為基礎(chǔ),確定各個構(gòu)件的風(fēng)荷載;整體方法則直接根據(jù)管架的榀數(shù)及間距給出遮擋系數(shù),便于工程應(yīng)用。但在工程實踐中,管架上往往還有管道和各類設(shè)備,整體計算方法的適用性還有待進一步評估。
筆者以石油化工廠區(qū)常見的管架、裂解爐為研究對象,首先采用測力風(fēng)洞試驗評估整體計算方法的適用性,然后通過測壓風(fēng)洞試驗,給出了管架遮擋下內(nèi)部封閉設(shè)備的遮擋系數(shù),提供了一種基于整體計算方法的工業(yè)管架風(fēng)荷載確定方法。
本次試驗在北京交通大學(xué)風(fēng)洞實驗室BJ-1風(fēng)洞(圖2)高速試驗段完成,經(jīng)第三方校核,風(fēng)洞品質(zhì)優(yōu)秀。試驗前,對試驗?zāi)P蛥^(qū)的風(fēng)速剖面進行了測量,并通過調(diào)整尖塔和粗糙元的幾何參數(shù),在模型試驗區(qū)獲得《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)中B類地貌所要求的平均風(fēng)速剖面和脈動風(fēng)速湍流度剖面,如圖3所示。圖中,α,Iu,Z,Zr,U,Ur分別為地面粗糙度指數(shù):B類地貌α=0.15、湍流度、高度、參考點高度、風(fēng)速及參考點風(fēng)速,參考點設(shè)置在模型頂點高度處。
圖2 北京交通大學(xué)BJ-1風(fēng)洞(單位:m)Fig.2 BJ-1 wind tunnel in Beijing Jiaotong University(unit:m)
圖3 平均風(fēng)速與湍流度剖面Fig.3 Mean wind speed and turbulence intensity profiles
為了評估現(xiàn)有計算方法的適用性,筆者選取石油化工廠區(qū)典型管架(GJ1)、帶管道的管架(GJ2)及支撐設(shè)備(裂解爐)的管架(GJ3)為研究對象。其中:GJ1高為30 m,寬為15 m,長為45 m;GJ2尺寸與GJ1相同,并按照實際生產(chǎn)時的情況布置管道;GJ3為石化廠區(qū)常見裂解爐,高為48 m,寬為10.5 m,長為37 m。
試驗?zāi)P蛶缀慰s尺比選為1∶100,GJ1和GJ2模型阻塞率為2.3%,GJ3模型阻塞率為3%,滿足風(fēng)洞阻塞率的要求。由專業(yè)模型公司采用ABS材料制作了裂解爐以及管架剛性測力模型及底部金屬連接件,如圖4所示。測力風(fēng)洞試驗采用美國ATI Industrial Automation研制的6分量高頻底座天平,采樣頻率為1 000 Hz,連續(xù)采樣20 000次,采樣時間為
20 s。
圖4 測力試驗?zāi)P蛨DFig.4 HFFB wind tunnel test models diagram
為確定不同管架遮擋情況下內(nèi)部封閉設(shè)備的遮擋系數(shù),本研究還專門設(shè)計了測壓試驗。試驗?zāi)P头譃椴贾脺y壓點的內(nèi)部封閉設(shè)備(圖5)和輔助性外圍管架(圖6),內(nèi)部封閉設(shè)備模型輪廓尺寸參考了GJ3內(nèi)部爐體,模型幾何縮尺比與測力試驗相同。
圖5 測壓點布置圖(單位:mm)Fig.5 Taps distribution diagram(unit:mm)
圖6 外圍管架圖Fig.6 Periphery pipe racks
測壓試驗中,先測試無外圍管架時封閉設(shè)備的風(fēng)壓分布,然后分別設(shè)置1-3榀外圍管架,確定外圍管架榀數(shù)對內(nèi)部封閉設(shè)備風(fēng)壓分布的影響,其中,外圍管架形式及間距與GJ3保持一致。測壓風(fēng)洞試驗采用Scanivalve電子掃描閥測壓,采樣頻率為312.5 Hz,每個通道連續(xù)采樣20 000次,采樣時間為64 s。
試驗中,參考點設(shè)置在模型主體結(jié)構(gòu)頂點高度處,定義y軸正向為0°風(fēng)向角,x軸正向為90°風(fēng)向角,如圖7所示。
為方便比較,測力試驗得到的力、力矩采用無量綱力、力矩系數(shù)表示
其中:i=x,y,z,為體軸坐標(biāo)系對應(yīng)的3個主方向;Fi和Ci分別為i向氣動力及對應(yīng)的氣動力系數(shù);Mi和Cmi分別為i向氣動力矩及對應(yīng)的力矩系數(shù);U為參考高度處風(fēng)速;ρ為空氣密度;Si為參考面積,取模型y軸方向輪廓面積;H為參考高度,取模型主體結(jié)構(gòu)高度。
測壓試驗得到的建筑表面的風(fēng)壓通常用對應(yīng)于參考點的無量綱風(fēng)壓系數(shù)表示,平均風(fēng)壓系數(shù)為
圖7 試驗?zāi)P蛨DFig.7 Test models diagram
其中:P(t)為作用在測點處的壓力;P0和P∞分別為參考高度處的總壓和靜壓;M為脈動風(fēng)壓的樣本采集數(shù),即本次風(fēng)洞試驗的樣本次數(shù)量。
在測壓風(fēng)洞試驗中,平均風(fēng)壓系數(shù)Cp與高度換算系數(shù)γ的乘積相當(dāng)于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)的體型系數(shù)μs與高度系數(shù)μz的乘積,即
其中:γ=(Z/10)0.3;Z為參考點高度,文中Z=48 m。通過式(4)即可得到體型系數(shù)。
根據(jù)測力風(fēng)洞試驗可以得到管架平均基底力、力矩系數(shù),圖8給出不同風(fēng)向角情況下管架平均基底力、力矩系數(shù)。可以看出,3個管架的平均基底力、力矩系數(shù)隨風(fēng)向角變化規(guī)律相同。y向平均基底力系數(shù)和x向平均基底力矩系數(shù)絕對值隨風(fēng)向角增大而減小,在0°風(fēng)向角達(dá)到最大值。而x向平均基底力系數(shù)絕對值和y向平均基底力矩系數(shù)絕對值隨風(fēng)向角先增大后減小,在45°~60°風(fēng)向角達(dá)到最大值。
對比管架GJ1和管架GJ2平均基底力、力矩系數(shù),可以發(fā)現(xiàn),帶有管道的管架GJ2的平均基底力、力矩均大于無管道的管架GJ1,這說明在計算管架風(fēng)荷載時,管道對管架風(fēng)荷載的影響不可忽略。
為了驗證現(xiàn)行規(guī)范的適用性,根據(jù)《石油化工建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB51006—2014)、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012),假定基本風(fēng)壓ω0=1 kN/m2,計算管架基底風(fēng)荷載。其中,整體計算方法根據(jù)規(guī)范規(guī)定考慮了單一風(fēng)向和對角風(fēng)(一個主方向構(gòu)架風(fēng)荷載與另一個主方向結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附件風(fēng)荷載的50%共同作用)。
圖8 平均基底力、力矩系數(shù)圖Fig.8 Base force and overturning moment coefficient
0°與90°風(fēng)向角下,測力風(fēng)洞試驗與規(guī)范計算結(jié)果如表1,2所示。
對比表中數(shù)據(jù)可以看出,整體計算方法計算的x向風(fēng)荷載是常規(guī)方法x向的40%左右,y向風(fēng)荷載是常規(guī)方法y向的60%左右,常規(guī)方法得到的風(fēng)荷載明顯大于考慮遮擋效應(yīng)的整體計算方法得到的風(fēng)荷載。對于管架榀數(shù)多的x向兩種方法的結(jié)果相差更大,說明隨著管架榀數(shù)的增加,遮擋效應(yīng)越來越顯著。
表1 x向風(fēng)荷載對比Tab.1 Comparison of x?direction wind loads kN
表2 y向風(fēng)荷載對比Tab.2 Comparison of y?direction wind loads kN
管架、裂解爐測力風(fēng)洞試驗得到的基底剪力小于整體計算方法和常規(guī)方法計算得到的兩個主軸方向風(fēng)荷載,工程實踐中,采用現(xiàn)行規(guī)范是偏于安全的。由于考慮了遮擋效應(yīng),由整體計算方法得到的風(fēng)荷載與風(fēng)洞試驗結(jié)果較接近。但隨著順風(fēng)方向結(jié)構(gòu)榀數(shù)的增加,對于管架榀數(shù)多的x向,整體計算方法與風(fēng)洞試驗結(jié)果相差較大??紤]內(nèi)部管道后,管架承受風(fēng)荷載將有所增加,這說明確定管架風(fēng)荷載時必須考慮內(nèi)部管道承擔(dān)的載荷。按現(xiàn)行規(guī)范計算得到的支撐裂解爐的管架(GJ3)風(fēng)荷載明顯偏大,這說明規(guī)范對該類設(shè)置大型工業(yè)設(shè)備的管架適用性較差,需要采用風(fēng)洞試驗確定更為合理的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載。
通過測壓試驗以及計算得到了不同管架遮擋情況下內(nèi)部封閉設(shè)備的體型系數(shù)。
內(nèi)部封閉設(shè)備在不同工況下,風(fēng)向角為0°時迎風(fēng)面、背風(fēng)面體型系數(shù)分布如圖9和圖10所示??梢钥闯?,隨著外圍管架榀數(shù)的增加遮擋效應(yīng)增大,迎風(fēng)面體型系數(shù)有明顯變小趨勢,而背風(fēng)面變化趨勢不明顯。
圖9 迎風(fēng)面體型系數(shù)分布Fig.9 The distribution of shape coefficient on windward side
圖10 背風(fēng)面體型系數(shù)分布Fig.10 The distribution of shape coefficient on leeward side
不同工況下,裂解爐內(nèi)部封閉設(shè)備的體型系數(shù)如表3所示,由表中數(shù)據(jù)可以看出,裂解爐內(nèi)部封閉設(shè)備的體型系數(shù)隨著外圍管架榀數(shù)的增加而減小。
表3 不同工況下體型系數(shù)表Tab.3 Shape coefficient under different conditions
為了在工程實際中更加方便使用,定義了遮擋折減系數(shù)。有遮擋時內(nèi)部封閉設(shè)備的體型系數(shù)μ's=φμs,遮擋折減系數(shù)φ=μ's/μs。不同工況下體型系數(shù)的遮擋折減系數(shù)如表4所示。
由表4可以看出,隨著外圍管架榀數(shù)的增加,內(nèi)部封閉設(shè)備的遮擋折減系數(shù)明顯減小。根據(jù)遮擋折減系數(shù)對前面支撐裂解爐的管架GJ3整體計算的結(jié)果進行修正,如表5所示。
表4 不同工況下體型系數(shù)遮擋折減系數(shù)表Tab.4 Reduction factor of shape coefficient under different conditions
表5 風(fēng)荷載對比表Tab.5 Comparison of wind loads kN
可以看出,考慮外圍管架對裂解爐內(nèi)部封閉設(shè)備遮擋效應(yīng)得到的結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果更接近。通過考慮測壓風(fēng)洞試驗得到的遮擋折減系數(shù),可以更為合理地確定主體結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載。
筆者以石油化工廠區(qū)典型管架、裂解爐為對象,首先采用測力風(fēng)洞試驗評估整體方法的適用性,然后通過測壓風(fēng)洞試驗測得了裂解爐內(nèi)部設(shè)備的遮擋系數(shù)。整體而言,管架、裂解爐測力風(fēng)洞試驗得到的基底剪力小于《石油化工建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB51006—2014)規(guī)定值,工程實踐中,采用現(xiàn)行規(guī)范是偏于安全的。對于管架及支撐管道的管架,整體方法得到的風(fēng)荷載與測力風(fēng)洞試驗吻合較好。文中通過測壓風(fēng)洞試驗,給出了外圍管架遮擋下,內(nèi)部封閉設(shè)備的遮擋系數(shù),利用該系數(shù)能夠擴大整體方法的適用范圍。