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        空分冷箱基礎(chǔ)風(fēng)荷載傾覆力矩計(jì)算與比較

        2012-07-30 03:36:30馬瑜沈夢(mèng)榮
        關(guān)鍵詞:冷箱空分蘇丹

        馬瑜 沈夢(mèng)榮

        (中國(guó)空分設(shè)備有限公司,浙江 杭州 310051)

        一、問題的提出

        在冷箱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中,風(fēng)荷載的傾覆力矩計(jì)算非常重要,如果基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不當(dāng),基礎(chǔ)的抗傾覆力矩達(dá)不到要求,在風(fēng)速達(dá)到一定程度時(shí),可能會(huì)發(fā)生冷箱傾覆的危險(xiǎn),造成重大安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。本文以蘇丹2000Nm3/h液體空分項(xiàng)目冷箱基礎(chǔ)風(fēng)荷載傾覆力矩計(jì)算為例,利用國(guó)標(biāo)和英標(biāo)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算和比較,介紹空分項(xiàng)目冷箱基礎(chǔ)風(fēng)荷載的計(jì)算過程。

        蘇丹2000液體空分項(xiàng)目的土建設(shè)計(jì)由蘇丹方自行設(shè)計(jì),在中方人員在蘇考察期間,發(fā)現(xiàn)其冷箱基礎(chǔ)的深度只有1m,與國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院通常的設(shè)計(jì)存在較大差距(通常冷箱基礎(chǔ)的深度在3m左右),冷箱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可能存在一定問題,本著為用戶負(fù)責(zé)的態(tài)度,中方人員用國(guó)標(biāo)進(jìn)行了冷箱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)復(fù)核,發(fā)現(xiàn)不滿足要求,但是蘇丹用戶是按照英標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的,為了說服用戶,中方又用英標(biāo)對(duì)冷箱基礎(chǔ)的抗風(fēng)載能力進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)論還是無(wú)法滿足,在中方的努力下,用戶最終修改了設(shè)計(jì),確保了該項(xiàng)目冷箱基礎(chǔ)的安全。

        二、蘇丹冷箱設(shè)計(jì)條件和更改前蘇丹方的冷箱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

        蘇丹2000Nm3/h液體空分冷箱總高度為49.5m,基礎(chǔ)高度標(biāo)高要求為0.9m,加100mm的找平層,冷箱頂部標(biāo)高為50.5m,冷箱自重為313.8T,冷箱主截面為3.5m×3.6m,基本風(fēng)速為28.2m/s,蘇丹方的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)寬度和深度為5.3m×9.4m×1.9m,其中地下部分為1.0m,其受力模型可以簡(jiǎn)單描述如下簡(jiǎn)圖:

        圖一

        經(jīng)過分析,我們不難發(fā)現(xiàn),寬度為3.6m的截面承受風(fēng)載的面積大,風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩更大,因此該截面為不利截面,在計(jì)算時(shí)只需要計(jì)算該截面的風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩是否超過了基礎(chǔ)自身的抗傾覆力矩即可判斷該冷箱基礎(chǔ)的安全性。

        三、蘇丹2000Nm3/h液體空分冷箱截面風(fēng)荷傾覆力矩計(jì)算

        3.1 按國(guó)標(biāo)進(jìn)行計(jì)算

        計(jì)算風(fēng)荷載傾覆力矩,先要計(jì)算某一高度處的風(fēng)荷載特征值ωk,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算出來之后乘上相應(yīng)的受力面積和力矩,可得到某一高度出某一截面上風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩,所有截面處的傾覆力矩之和即為建筑物的風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩M1。其中

        基本風(fēng)速V0:28.2m/s(時(shí)距:10min)

        A 計(jì)算基本風(fēng)壓:

        B 冷箱體型系數(shù)μs

        根據(jù)GB50135-2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,H/d=50.5/3.5=14.43, 由 H/d=25 μs=2 及 H/d=7 μs =1.4 插值得

        C 高度變化系數(shù)μz。

        按照地面粗糙度為A類,按高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50135-2006表4.2.6.1查得如下數(shù)值

        μz 離地面高度(m)1.17 5 1.38 10 1.52 15 1.63 20 1.8 30 1.92 40 2.03 50

        D 高度Z處的風(fēng)荷載風(fēng)振系數(shù)

        T1 :冷箱一階自振頻率(T1=1.3s,根據(jù)建模所得)

        離地面高度(m) ν Ψz βz 5 0.78 0.2 1.33 10 0.78 0.6 1.84 15 0.83 0.14 1.19 20 0.83 0.23 1.29 30 0.86 0.46 1.53 40 0.87 0.79 1.88 50 0.88 1 2.08 50.5 0.88 1 2.08

        E 傾覆力矩計(jì)算

        風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩為M1:10498 KNm。

        自重偏心產(chǎn)生的傾覆力矩為M2:617.75KNm。

        F 穩(wěn)定性校核

        重力產(chǎn)生的抗傾覆力矩為:G=(設(shè)備自重+混凝土自重)=5504KN

        計(jì)算穩(wěn)定性時(shí),還應(yīng)考慮荷載分項(xiàng)系數(shù),對(duì)于風(fēng)荷載,分項(xiàng)系數(shù)為1.4,對(duì)于恒荷載,分項(xiàng)系數(shù)為1.0,因此

        M=1.4×M1+1.0×M2=15315KNm,偏心距e=M/G=2.78>B/6,

        不滿足要求,說明冷箱基礎(chǔ)存在傾覆的可能,需要修改設(shè)計(jì)。

        3.2 按英標(biāo)計(jì)算

        英標(biāo)中,計(jì)算風(fēng)荷載的方法有兩種:一種是標(biāo)準(zhǔn)算法,另外一種是方向算法。標(biāo)準(zhǔn)算法是較為簡(jiǎn)單快速、精確度要求不高的情況下采用的方法。方向算法要求較高、耗時(shí)較長(zhǎng),精確度也相對(duì)高的算法,本文利用標(biāo)準(zhǔn)算法進(jìn)行蘇丹空分冷箱風(fēng)荷載計(jì)算。

        基本風(fēng)速的轉(zhuǎn)換

        英標(biāo)與國(guó)標(biāo)在計(jì)算風(fēng)荷載時(shí),基本風(fēng)速的定義有所區(qū)別,國(guó)標(biāo)規(guī)定為空曠地面上10m 高度處10min 平均的風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù),經(jīng)概率統(tǒng)計(jì)得出50 年一遇最大值確定的風(fēng)速。英標(biāo)規(guī)定的風(fēng)速是基于1小時(shí)的平均風(fēng)速,因而時(shí)距不同,需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)國(guó)內(nèi)風(fēng)荷載研究專家張相庭教授的研究并為業(yè)界廣泛應(yīng)用的研究成果,1h的平均風(fēng)速為10min平均風(fēng)速0.94倍。因而基本風(fēng)速為:28.2m/s×0.94=26.5m/s.

        B、英標(biāo)風(fēng)荷載的表達(dá)

        其中各項(xiàng)符號(hào)定義為:

        Cr:風(fēng)荷載放大系數(shù),本例中0.18,

        Cpe:建筑物外部受力系數(shù),迎風(fēng)面取0.8,背風(fēng)面取-0.5.

        Pe:建筑物迎風(fēng)面和背風(fēng)面的荷載疊加之和

        A:截面面積

        Ve:有效風(fēng)速

        Vs:建筑物現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速

        Sa:海拔因素,取1.0

        Sd:方向因素,因蘇丹缺乏詳細(xì)的風(fēng)向資料,取1.0

        Ss:季節(jié)因素,永久建筑,取1.0

        Sp:概率因素,取1.0

        因此Vs=26.5m/s

        Sb:建筑物體型系數(shù)見下表,與建筑物相對(duì)高度有關(guān)

        height Depth Width L Sb 2 2 7.6 1.5 1.26 6.4 4.5 1.45 10 5 6.4 8.5 1.62 15 5 3.6 13.5 1.71 20 5 3.6 18.5 1.77 30 10 3.6 26 1.85 49.5 19.5 3.6 40.75 1.95 5 3

        風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩為8063KNm。根據(jù)英標(biāo)的規(guī)定,利用標(biāo)準(zhǔn)算法,計(jì)算結(jié)果可以折減14%,為6934KNm。

        穩(wěn)定性計(jì)算

        M=1.4×M1+1.0×M2=6934×1.4+617.75=10325KNm。

        偏心距e=M/G=10325/5504=1.88>B/6.冷箱基礎(chǔ)不安全。

        四、兩種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果的分析比較

        國(guó)標(biāo)計(jì)算的風(fēng)荷載傾覆力矩結(jié)果是15315KNm,英標(biāo)計(jì)算的風(fēng)荷載傾覆力矩為10325KNm,國(guó)標(biāo)計(jì)算結(jié)果是英標(biāo)計(jì)算結(jié)果的1.5倍左右,應(yīng)該說是正常的,可以接受的,為了查明原因,我們仔細(xì)查閱了英標(biāo)及其系數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn),主要原因如下:

        1英標(biāo)里對(duì)于地形地貌的分類只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),即現(xiàn)場(chǎng)離海岸線的距離,蘇丹冷箱位于首都喀土穆,離海邊的距離超過1000km,因此只能算作B類區(qū)域,不算最惡劣的區(qū)域。實(shí)際上,英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)英國(guó)的地形地貌給出的,英國(guó)本身沒有沙漠,因而光靠一個(gè)離海邊的標(biāo)準(zhǔn)在蘇丹的適用性本身存在一定的問題,蘇丹面積較大,大部分為沙漠和戈壁地區(qū),冷箱周圍更是一片荒地,基本上沒有超過15m以上高度的建筑,按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn),肯定是算A類地面的。

        2英標(biāo)里面對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)算法和方向算法兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,當(dāng)建筑物高度接近100m時(shí),兩種方法的計(jì)算結(jié)果幾乎是一樣的,所以14%的減小系數(shù)的合理性也值得商榷。

        風(fēng)荷載傾t覆力矩計(jì)算

        五、冷箱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的改進(jìn)

        兩種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果表明,原基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案寸在一定的問題,有整體傾覆的危險(xiǎn),為了避免安全事故的發(fā)生,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況和建筑物基礎(chǔ)的情況,采用試算法進(jìn)行調(diào)整,從增加基礎(chǔ)寬度和深度兩個(gè)方向上去進(jìn)行改進(jìn),尋求解決方案。

        方案一:基礎(chǔ)深度不變,擴(kuò)大基礎(chǔ)面積,增大重力產(chǎn)生抗傾覆力矩的力臂,將基礎(chǔ)尺寸由原來的5.3m×9.4m×1.9m改為9.42m×9.4m×1.9m(W×L×D).考慮到該冷箱平臺(tái)梯子重量為20噸左右,能夠抵消一定的風(fēng)荷載傾覆力矩。改進(jìn)后的穩(wěn)定性比較如下:偏心距

        e=(6934×1.4+1765×0.35-200×4.1 25)/(1373+1765+200+9.42×9.4×1.9×2 5)=1.26< b/6=1.57, 滿足要求。根據(jù)此方案改進(jìn)的話,需要增加的混凝土體積為71m3,對(duì)地基承載力要求為其地基承載力特征值不小于110KN/m2.

        方案二:基礎(chǔ)長(zhǎng)度和寬度方向都增加2m,改為7.3m×11.4m,試算此方案下最小的基礎(chǔ)深度為2.6m,此方案需要增加的混凝土方量為:121.71m3,對(duì)地基承載力要求為其地基承載力特征值不小于147KN/m2.

        不難看出,方案一明顯優(yōu)于方案二,不僅改動(dòng)量較小,施工方便,業(yè)主需增加的經(jīng)濟(jì)投資也是最優(yōu)的,對(duì)地基承載力的要求也較低,容易滿足要求。經(jīng)與業(yè)主最后確認(rèn),按照第一種改進(jìn)方案進(jìn)行了實(shí)施。

        結(jié) 語(yǔ)

        通過蘇丹2000液體空分基礎(chǔ)校核,筆者認(rèn)為盡管英標(biāo)和國(guó)標(biāo)是兩套不同體系下的標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算的具體方法上存在差異。計(jì)算結(jié)果也不盡相同,但是原理是一致的。

        在國(guó)際工程項(xiàng)目管理中,對(duì)于類似冷箱基礎(chǔ)的安全問題,各項(xiàng)目參與方都必須給予足夠的重視,對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核,確保設(shè)備基礎(chǔ)的安全性和穩(wěn)定性,進(jìn)而確保工程的順利進(jìn)行。

        [1]GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.

        [2]GB50135-2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.

        [3]BS6399-2-1997英國(guó)荷載計(jì)算規(guī)范.

        [4]張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)壓和風(fēng)振計(jì)算[M]. 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1985.

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