電廠管道的風荷載計算

朱學成，吳 斌(江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102)

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電廠管道的風荷載計算

朱學成，吳 斌
(江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102)

摘要：在電廠露天管道偶然荷載的計算中，應考慮風荷載的影響。本文對現有電廠管道設計規范中有關風荷載的規定進行梳理，通過對各國風荷載規范的比較，指出我國電站管道規范風荷載計算中可能存在的問題，并提出適用于電廠管道風荷載的計算建議。

關鍵詞：風荷載；規范；基本風速；風振響應。

近年來，隨著海外工程特別是近海岸工程的增多，以及國內電站向著大機組高容量發展，主要煙風汽水管道高度和外形尺寸的增大，管道對于風荷載影響的敏感性大大增強。有必要對國內電站管道相關規范中風荷載條文進行梳理、掌握國際主流規范與國內規范的異同，使設計人員能夠正確使用規范進行工程設計。本文從實際電站工程的應用角度出發，通過對國內外主要風荷載規范進行比較，分析將國內相關規范應用到涉外工程的可行性，并針對電站工程管道風荷載的計算提出具體建議。

1　設計風壓與基本風壓

電站管道受到的荷載可根據作用時間長短分為持續荷載和偶然荷載，其中偶然荷載包括風荷載、冰雪荷載、地震荷載、水錘力和排汽反力等。風荷載引起的振動是隨時間不確定的隨機振動，在工程應用中一般采用等效靜力法簡化分析，垂直于管道表面的風荷載標準值為：

式中：βz為風振系數；μs為體型系數；μz為高度系數；w0為基本風壓。

基本風壓w0是風荷載設計輸入的基本參數，國內電站管道規范均參考《建筑結構荷載規范》 ，詳細對比見表1。

表1　國內電站管道規程中基本風壓的定義

各國在制定風荷載規范時，基本風速和風壓涉及到標準離地高度、最大風速重現期、平均風速時距、地貌類別、最大風速樣本和最大風速概率分布類型等6項定義，見表2。

表2　各國規范中基本風速影響因素對比

為確定設計風速，必須規定重現期和確定年最大平均風速的概率分布。重現期即最大風速重復出現的時間間隔，重現期越長安全性越高。我國規范給出各地重現期分別為10年、50年和100年的風壓值，重現期為R年的風壓值可按wR=w10+(w100- w10)(InR/In10-1)確定，溫度t氣壓p時的空氣密度可由ρ=1.276×10-8(p -0.378pv)/(1+0.00366t)計算，式中pv為水蒸氣分壓，也可按ρ=0.00125e- 0.0001z進行估算，其中z為海拔高度。常用的概率分布模型有極值I型、極值II型和韋伯分布，目前大多數國家均采用極值I型分布函數。

從表2中可以看出各國對基本風速的定義和統計方法基本一致，但平均風速時距存在區別，體現出各國對不同類型風荷載考慮的側重：10 min和60 min時距反映的是平均風速，適合描述寒潮、季風等大范圍的風；3 s時距反映的是陣風風速，適合描述雷暴風、風暴等小范圍的風。不同時距基本風速平均比值可通過：v60min∶ v10min∶ v3s=0.94 ∶ 1∶ 1.42進行換算。值得注意日英澳還根據本國不同地域給出風向的修正系數，而中美規范中無此規定。

2　體型系數

風荷載大小受到不同管道體型的直接影響，體型系數定義為風作用在管道上所引起的實際壓力與來流風速度壓的比值，描述管道表面在穩定風壓作用下靜態壓力的分布規律，受管道體型和尺度，以及地面粗糙度和周圍環境的影響。當管道與其它結構較近時，由于旋渦的相互干擾，某些部位的局部風壓會顯著增大，一般用單管的體型系數乘以干擾系數進行修正。國內電站管道規程均給出了上下雙管、前后雙管、前后多管的體型系數，其中規范[2，3]數值相同，稍高于規范[1，4]，并列出了單管體型系數。此外規范[2]還列出了方管的體型系數。

國外風荷載規范針對多管組合的體型系數條文較少，但對單個圓形或矩形構筑物按不同長寬比或細長比、表面情況等做了更加細致的劃分。國內電站管道規范的體型系數均按同等條件下的最不利情況取值，設計偏保守，體現了電站設計安全系數較高的特點。

3　高度系數及地面粗糙度

高度和地面情況對于風速的影響可分為兩個方面：特殊地形的影響和高度地形的影響。

規范[1]～[3]中考慮了盆地、山谷口、海岸距離等特殊地形對風壓的修正系數，其中規范[1]還給出山峰和山坡處的修正系數計算公式。美國規范中考慮了山坡影響，但沒有考慮山區和海岸的影響。澳大利亞規范中進一步考慮了群建筑物間的遮擋折減系數，并給出了適用于一定距離范圍內地面粗糙度變化時的加權系數計算方法。

由于地表摩擦對風速的影響隨著高度而減小，這種平均風速隨高度而逐漸增加的變換關系稱為平均風速剖面，各國規范中最常用的平均風速剖面公式有指數型和對數型，并根據不同地貌類別給出系數。而英國規范中考慮了城鄉、上風向距海岸距離、建筑物外形比例等因素，與其他國家的規范沒有簡單的對應關系。

表3　高度z及地面粗糙度對風速的修正

從表3看出美國規范的系數最小，中國規范中的取值偏保守。國內電站管道規范均按地面粗糙度類別給出高度變化系數表，其中規范[2]因為引用的規范版本較早，將地面粗糙度類別為3類，規范[3，4]的地面粗糙度類別均為4類。

4　風振系數

風速在大氣層中受到各種因素的影響而呈現隨機脈動性，由脈動風引起的管道振動隨管道自振周期的增加而增強。由于脈動風產生的結構動效應的求解過程對于工程設計過于復雜，一般將風致動力效應應用風致靜力效應來等效表達，工程上將平均風與脈動風共同作用的總響應與平均風產生的相應之比稱為風振系數。

在國內電站管道規范中規范[2，3]未考慮風振系數，而規范[4]沿用了規范[1]的較早版本，將風振系數分解為脈動增加系數和為脈動影響系數，再分別根據基本風壓與自振周期，以及高度與地面粗糙度查表求得。

各國規范對風振系數的一般公式為βz=1+2gI10(B+R)0.5，式中g為峰值因子，I10為10 m高湍流強度，B和R分別為背景分量因子和共振分量因子。此公式優點在于概念明確，對于剛度較大的管道可只用背景影響系數計算等效風荷載，因此我國新版規范[1]舍棄了舊版公式而采用此公式定義風振系數，但對部分系數的選取還需斟酌。如峰值因子取為2.5，而其它國家規范的峰值因子通過計算在3.4～4間。各國對湍流強度均以冪函數Iz=c(z/10)- d定義，其中c，d均是依賴于地形的參數，各國的取值見表4，我國規范在新版本中對湍流強度的取值稍有提高，但對比其他國家仍明顯偏低，計算結果也比其他國家略小。

表4　湍流強度的特征參數

各國規范中風振系數的使用條件見表5，中國規范要求考慮脈動風的范圍較寬，設計偏保守。而管道規范[4]中沒有給出使用范圍，降低了規范實際應用的可操作性。還應值得注意在各國風荷載規范中風振系數的研究均以豎向懸臂型結構為對象，是否適用于與附近結構緊密耦合的電站管道還需深入研究。

表5　風振系數的使用條件

除順風向風荷載外，露天管道由于空氣渦流脫落等原因還可能產生與風向垂直的橫風向風振。對于電站汽水管道Re數均小于3.5×106，可不考慮橫風共振；而對于大尺寸煙風管道Re數有可能稍高于3.5×106，但大尺寸煙風管道道多水平布置，下方支架在對管道附近氣流產生擾動的同時也限制了管道振動；而且在煙風道加固肋設計時已考慮了煙風道壁面的振動影響。因此在電站管道計算中忽略橫向風振的影響是可行的。

5　管道的風荷載計算

研究管道風荷載的計算方法最終是為了合理地進行支吊架和加固肋設計，這與建筑物設計中還需要考慮風荷載對于整棟建筑物的基礎有所區別。管道支吊架上的風荷載包括以集中力形式承受的管道風荷載，以及支吊架根部結構本身所受的風荷載，前者在支吊架上的分配可按靜力矩平衡法計算，而后者的影響在電站管道設計中通?？梢院雎?。而加固肋設計可按照規范[2]的要求考慮風荷載的當量壓力。

各國所考慮的風荷載影響因素基本一致，但對具體公式和參數的選取，以及對部分修正因素的考慮上仍有區別。我國規范對基本風速的定義和統計方法與各國相一致，對體型、高度及地面粗糙度的影響考慮偏保守，而對風振影響的考慮可能還存在一定問題。

目前國內電站管道各規程對于風荷載計算的要求各有不足。從工程角度出發，建議僅對大尺寸的電站管道采用靜力法進行簡化計算：按規范[3]計算基本風壓、圓管體型系數、高度及地面粗糙度影響；按規范[2]計算方管體型系數；同時忽略支吊架風荷載，按規范[11]計算風荷載在各支吊點的分配，

表6　電廠管道風荷載的計算

表6中計算不同工程兩個風管道的風荷載，將計算段在固定支架處分開簡化為雙支撐管道，相關系數按照最新版規范選取，迎風面積和體型系數的計算考慮了熱管道保溫層的影響。根據計算結果可以看出：(1)由于電廠多建造在A、B類地形區域，風壓高度變化系數對風荷載的影響較大，隨高度的變化也比較明顯；(2)管道介質種類不僅影響風荷載計算中的迎風面積和管道截面特性參數的計算，還會因為鋼管和保溫層表面粗糙度的不同影響體型系數的選??；(3)風振系數對風荷載的計算不應簡單忽略；(4)在基本風壓較高的工程中，風荷載相比管道、尤其是風管道的自重不應被忽略，但相對于支吊架可承受的荷載仍然很小，由于計算中各參數的選擇均按較保守的情況考慮，因此只要按照最新規程適當設置支架，通常即可滿足防風要求。在要求較高的設計中，由于走向復雜、支吊類型和數量都比較多，電站管道的自振周期計算繁雜，按規范[1，4]計算風振系數的可操作性不強，建議采用CAESARII等軟件進行相關計算。

6　結論

各國風荷載規范均采用等效靜力法，在基本風壓基礎上，考慮體型、風振系數、高度及地面粗糙度等因素進行修正。

各國的基本風速定義基本一致，重現期、時距等基本參數可通過公式進行換算。中國規范在體型系數較簡略，但均按照同等條件下的最不利情況取值；各國對高度系數及地面粗糙度的規定各有側重，中國的取值偏保守；中國規范已改用各國通用的脈動風速計算公式，雖然對湍流強度的取值稍低，但管道模型和振型系數等參數均按照最不利情況選取，得到的計算結果偏保守。

在國內電站管道規范中對于基本風壓、體型系數的要求可以滿足基本設計要求，但部分參數的選取應根據最新規范[1]適當調整。對電站設計中復雜管道風振系數的選取，現有規范中計算方法的可操作性較差，計算模型也有待完善，可以采用成熟軟件進行動態計算。

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Wind Load Calculation for Power Plant Conduit

ZHU Xue-cheng, WU Bin
(Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

Abstract:Influence of wind load should be considered in the accidental load calculation for power plant outdoor piping. With the comparison the various counties wind load codes, it seems that there are several points that must be paid attention to Chinese power plant codes on wind loads. A recommended calculation method on wind load is presented for the design power plant piping.

Key words:wind load; code; basic wind velocity; wind induced vibration response.

中圖分類號：TM621

文獻標志碼：B

文章編號：1671-9913(2016)01-0034-04

* 收稿日期：2015-06-17

作者簡介：朱學成(1979- )，男，江蘇南京人，博士，高級工程師，主要從事電廠設計工作。