空分冷箱基礎風荷載傾覆力矩計算與比較

馬瑜 沈夢榮

（中國空分設備有限公司，浙江 杭州 310051）

一、問題的提出

在冷箱基礎設計過程中，風荷載的傾覆力矩計算非常重要，如果基礎設計不當，基礎的抗傾覆力矩達不到要求，在風速達到一定程度時，可能會發生冷箱傾覆的危險，造成重大安全事故和經濟損失。本文以蘇丹2000Nm3/h液體空分項目冷箱基礎風荷載傾覆力矩計算為例，利用國標和英標兩個標準進行計算和比較，介紹空分項目冷箱基礎風荷載的計算過程。

蘇丹2000液體空分項目的土建設計由蘇丹方自行設計，在中方人員在蘇考察期間，發現其冷箱基礎的深度只有1m，與國內設計院通常的設計存在較大差距（通常冷箱基礎的深度在3m左右），冷箱基礎設計可能存在一定問題，本著為用戶負責的態度，中方人員用國標進行了冷箱基礎設計復核，發現不滿足要求，但是蘇丹用戶是按照英標進行設計的，為了說服用戶，中方又用英標對冷箱基礎的抗風載能力進行了計算，結論還是無法滿足，在中方的努力下，用戶最終修改了設計，確保了該項目冷箱基礎的安全。

二、蘇丹冷箱設計條件和更改前蘇丹方的冷箱基礎設計

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

圖一

經過分析，我們不難發現，寬度為3.6m的截面承受風載的面積大，風荷載產生的傾覆力矩更大，因此該截面為不利截面，在計算時只需要計算該截面的風荷載產生的傾覆力矩是否超過了基礎自身的抗傾覆力矩即可判斷該冷箱基礎的安全性。

三、蘇丹2000Nm3/h液體空分冷箱截面風荷傾覆力矩計算

3.1 按國標進行計算

計算風荷載傾覆力矩，先要計算某一高度處的風荷載特征值ωk，風荷載標準值計算出來之后乘上相應的受力面積和力矩，可得到某一高度出某一截面上風荷載產生的傾覆力矩，所有截面處的傾覆力矩之和即為建筑物的風荷載產生的傾覆力矩M1。其中

基本風速V0：28.2m/s(時距：10min)

A 計算基本風壓：

B 冷箱體型系數μs

根據GB50135-2006高聳結構設計規范，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μz。

按照地面粗糙度為A類，按高聳結構設計規范GB 50135-2006表4.2.6.1查得如下數值

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處的風荷載風振系數

T1 :冷箱一階自振頻率（T1=1.3s,根據建模所得）

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 傾覆力矩計算

風荷載產生的傾覆力矩為M1：10498 KNm。

自重偏心產生的傾覆力矩為M2：617.75KNm。

F 穩定性校核

重力產生的抗傾覆力矩為：G=（設備自重+混凝土自重）=5504KN

計算穩定性時，還應考慮荷載分項系數，對于風荷載，分項系數為1.4，對于恒荷載，分項系數為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，說明冷箱基礎存在傾覆的可能，需要修改設計。

3.2 按英標計算

英標中，計算風荷載的方法有兩種：一種是標準算法，另外一種是方向算法。標準算法是較為簡單快速、精確度要求不高的情況下采用的方法。方向算法要求較高、耗時較長，精確度也相對高的算法，本文利用標準算法進行蘇丹空分冷箱風荷載計算。

基本風速的轉換

英標與國標在計算風荷載時，基本風速的定義有所區別，國標規定為空曠地面上10m 高度處10min 平均的風速觀測數據,經概率統計得出50 年一遇最大值確定的風速。英標規定的風速是基于1小時的平均風速，因而時距不同，需要進行轉換。根據國內風荷載研究專家張相庭教授的研究并為業界廣泛應用的研究成果，1h的平均風速為10min平均風速0.94倍。因而基本風速為：28.2m/s×0.94=26.5m/s.

B、英標風荷載的表達

其中各項符號定義為：

Cr：風荷載放大系數，本例中0.18，

Cpe:建筑物外部受力系數，迎風面取0.8，背風面取-0.5.

Pe：建筑物迎風面和背風面的荷載疊加之和

A：截面面積

Ve：有效風速

Vs：建筑物現場實測風速

Sa：海拔因素，取1.0

Sd：方向因素，因蘇丹缺乏詳細的風向資料，取1.0

Ss：季節因素，永久建筑，取1.0

Sp：概率因素，取1.0

因此Vs=26.5m/s

Sb:建筑物體型系數見下表，與建筑物相對高度有關

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

風荷載產生的傾覆力矩為8063KNm。根據英標的規定，利用標準算法，計算結果可以折減14%，為6934KNm。

穩定性計算

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.冷箱基礎不安全。

四、兩種標準計算結果的分析比較

國標計算的風荷載傾覆力矩結果是15315KNm，英標計算的風荷載傾覆力矩為10325KNm，國標計算結果是英標計算結果的1.5倍左右，應該說是正常的，可以接受的，為了查明原因，我們仔細查閱了英標及其系數選擇標準，主要原因如下：

1英標里對于地形地貌的分類只有一個標準，即現場離海岸線的距離，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類區域，不算最惡劣的區域。實際上，英國標準是根據英國的地形地貌給出的，英國本身沒有沙漠，因而光靠一個離海邊的標準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，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，按照中國標準，肯定是算A類地面的。

2英標里面對于標準算法和方向算法兩種方法的計算結果進行比較，當建筑物高度接近100m時，兩種方法的計算結果幾乎是一樣的，所以14%的減小系數的合理性也值得商榷。

風荷載傾t覆力矩計算

五、冷箱基礎設計的改進

兩種標準計算結果表明，原基礎設計方案寸在一定的問題，有整體傾覆的危險，為了避免安全事故的發生，根據現場施工情況和建筑物基礎的情況，采用試算法進行調整，從增加基礎寬度和深度兩個方向上去進行改進，尋求解決方案。

方案一：基礎深度不變，擴大基礎面積，增大重力產生抗傾覆力矩的力臂，將基礎尺寸由原來的5.3m×9.4m×1.9m改為9.42m×9.4m×1.9m(W×L×D).考慮到該冷箱平臺梯子重量為20噸左右，能夠抵消一定的風荷載傾覆力矩。改進后的穩定性比較如下：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。根據此方案改進的話，需要增加的混凝土體積為71m3，對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：基礎長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深度為2.6m，此方案需要增加的混凝土方量為：121.71m3，對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，方案一明顯優于方案二，不僅改動量較小，施工方便，業主需增加的經濟投資也是最優的，對地基承載力的要求也較低，容易滿足要求。經與業主最后確認，按照第一種改進方案進行了實施。

結 語

通過蘇丹2000液體空分基礎校核，筆者認為盡管英標和國標是兩套不同體系下的標準，計算的具體方法上存在差異。計算結果也不盡相同，但是原理是一致的。

在國際工程項目管理中，對于類似冷箱基礎的安全問題，各項目參與方都必須給予足夠的重視，對設計進行復核，確保設備基礎的安全性和穩定性，進而確保工程的順利進行。

[1]GB50009-2001建筑結構荷載規范.

[2]GB50135-2006高聳結構設計規范.

[3]BS6399-2-1997英國荷載計算規范.

[4]張相庭.結構風壓和風振計算[M]. 上海:同濟大學出版社,1985.