摘要：工業(yè)框架開敞結構在模型及空間分布的不規(guī)則性及結構上存在的大量操作平臺、設備、管道等使結構變得更為復雜，由此在軟件分析的過程中，應加著重強對工業(yè)建筑中此類結構的風荷載研究計算，以提高其防風設計水平。本文的內容即重點分析了工業(yè)框架開敞結構的風荷載的計算和分析。 

　　關鍵詞：工業(yè)；框架結構；風荷載；不確定性 

　　 中圖分類號：TU973文獻標識碼： A 

　　一、工業(yè)框架開敞結構風荷載計算的現狀 

　　目前，國內外石油化工項目中存在著為數眾多的框架結構，這類框架結構往往承載著工藝流程中的有關的立式設備、臥式設備、換熱器、空冷器、錯綜復雜的管道以及設備操作平臺等，并且具有復雜而不規(guī)則的樓層，極大多數為開敞狀態(tài)。在現行荷載規(guī)范《GB 50009―2012建筑結構荷載規(guī)范》中并未明確說明該類型工業(yè)框架開敞結構的風荷載計算方法。因此，這類結構的結構設計是項目流程中的重點和難點。本文即著重討論該類型框架結構設計的基本條件之一：風荷載的計算和分析。 

　　二、工業(yè)框架開敞結構風荷載的計算分析 

　　工業(yè)框架開敞結構設計時，風荷載計算的不確定性來自兩方面：其一，采用常規(guī)的適用于封閉式框架風荷載自動計算功能的軟件來計算或者采用手工簡化計算，這樣造成的誤差會過大；其二，設計人員在結構設計過程中如何考慮工業(yè)框架內部前面擋風物體對后面擋風物體的屏蔽作用，從而有著不同的風荷載計算內容和公式。 

　　1、使用通用結構計算軟件PKPM進行分析計算 

　　通用建筑結構計算軟件PKPM是國內設計院中應用量最大的一款計算軟件，其對規(guī)范的理解與結合基本上走在分析設計軟件的前列。PKPM軟件對風荷載的計算假定是：迎風、背風面的受荷面積相同；風荷載作用于樓層質心及彈性節(jié)點上，樓層所有節(jié)點平均分配風荷載。在其最新版V2.1上，結構風荷載主要有關的參數有如下幾種：地面粗糙度類別、修正后的基本風壓、X向結構的基本周期、Y向結構的基本周期、風荷載作用下的結構阻尼比、水平風荷載體形系數等主要參數確定。 

　　 （1）計算公式 

　　通用結構計算軟件PKPM在普通處理框架結構風荷載時是按照封閉式框架來倒算計算風荷載的。 

　　第�層的風荷載標準值： 　 

　　式中，風荷載體型系數 。由用戶輸入，和A 由軟件按封閉式框架確定的風振系數和第i層外輪廓擋風面積(m2 )。在用于工業(yè)框架風荷載計算時，用戶在人機交互時利用軟件提供輸入調整系數或擋風的功能，輸入一個擋風面綜合折算系數Φ ，則工業(yè)框架第i層的風荷載標準值： 　　 

　　是綜合考慮工業(yè)框架開敞結構中梁、柱、斜撐、鋼平臺、鋼欄桿、鋼梯及設備和管線等的擋風面積所計算出的擋風折算系數，A是結構最外側輪廓立面投影的面積，軟件默認為計算到最外側節(jié)點處。 

　　 （2）使用PKPM算軟件分析計算工業(yè)框架開敞結構風荷載必然產生荷載不確定性的原因 

　�、俟�業(yè)框架開敞結構由于設備、管道、結構輪廓等在平面和立面上的布置具有很大的不均勻性，在不同跨度、不同高度、不同方向上其擋風面綜合折算系數變化也很大。因此如果用一個統一的擋風面綜合折算系數，不能準確的反映風荷載在立面上乃至空間上分布的不均勻性。實際上，在近年來工程中所遇到的的各種框架其樓面荷載越來越大、結構和設備的輪廓尺寸也越來越大。經過計算后的擋風面綜合折算系數上限有時候比規(guī)范的規(guī)定值還要偏大。 

　�、谟捎跇菍釉O備擋風面形心與設備支撐梁標高有一定高差，因此樓面設備支撐梁不僅承擔著由設備傳來的水平風荷載，而且還承擔著由風荷載所產生的傾覆力矩，該外力一般折算為拉壓力作用在相應位置處。 

　�、垆摽蚣芙Y構由于其樓層水平面內剛度比較小，空間作用效果不如民用建筑中的鋼筋砼樓板，再加上工業(yè)鋼框架平臺或者框架梁錯層、大開洞比較普遍。因此風荷載在結構構件上的分布如果按照民用建筑結構那樣簡化到若干層標高上其誤差則會較大。 

　　 由以上分析可知，如果對于普通封閉規(guī)則框架，可以按照常規(guī)計算，輸入相應參數即可，但對于開敞結構或半封閉框架結構，PKPM軟件對風荷載的計算就需要人為干預，一般情況下有兩種方法來進行模擬：一種是對基本風壓值進行折減，但這個折減是依據荷載規(guī)范在相應計算的前提上考慮的；一種是手算相關風荷載值，在SATWE接PM生成ATWE數據菜單下的風荷載的查詢修改處，對相關風荷載取值大小進行相應修改，然后勾選保留用戶自定義的風荷載，在此基礎上進行后續(xù)分析設計，否則前面對風荷載所做的修改會丟失，軟件會按照默認的風荷載計算值進行后續(xù)分析設計。 

　　對于工業(yè)框架開敞結構樓層平面內的設備、操作平臺等其他構件所產生的水平風荷載，應單獨計算，并以特殊風的形式施加于相應節(jié)點上。 

　　2、手動近似計算風荷載 

　　作用于框架每層梁柱節(jié)點處處的風荷載標準值近似為： 　 

　　上式中，是作用于框架每層梁柱節(jié)點的風荷載標準值，A1、A2、A3、A4、A5分別為梁、柱、斜撐、欄桿和設備(不包括特殊的設備，比如直徑大于1．20m冷換設備、換熱器、立式設備、臥式設備及空冷器等)的折算擋風面積(m2 )。 

　　該計算方法與使用封閉式框架計算軟件計算情況相比，手動計算計算風荷載時考慮了工業(yè)框架開敞結構中擋風物體在立面上分布不均勻的特點，在每層每個梁柱節(jié)點處施加通過手工計算的風荷載水平力。因此，手動近似計算風荷載的不確定性主要是由于項目設計周期比較短和手動計算工作量大矛盾下的計算誤差和人為的忽略設備、大型管道等部分風荷載的傳力途徑產生。 

　　3、使用框架結構設計軟件Staad Pro計算 

　　常用鋼結構設計軟件STAAD PRO，能較比較好的滿足工業(yè)框架開敞結構設計的各種特殊要求，比如工業(yè)框架的風荷載計算、設備相關的荷載(包括設備自重、操作介質重、充水水重、設備風荷載及設備地震作用等)的計算和各種設計工況(充水試壓、正常操作、停產檢修、地震)的多種荷載組合。 

　　STAAD PRO在逐一計算各擋風物體的風荷載時沒有考慮前面擋風物體對后面擋風物體的屏蔽作用。但是這并不限制設計人員使用STAAD PRO前處理計算風荷載時適當考慮屏蔽作用。比如若設計人員認為有時候必需要考慮框架梁對某些平臺梁的屏蔽作用，可不對這些平臺梁截面賦值或者在結構計算階段少布置些平臺梁。對沒有截面賦值的平臺梁，程序默認會按照按最小截面來計算風荷載并根據承載力和剛度的需求來確定其實際需要的截面。 

　　三、結論 

　　1、采用擋風面綜合折算系數Φ，用封閉式框架計算軟件PKPM計算以及手動計算，不僅計算精度不能滿足要求，而且也不能反映工業(yè)框架開敞結構風荷載在空間結構上的實際分布情況。 

　　2、使用適用于工業(yè)框架的設計軟件STAAD PRO前處理，應逐一計算和添加工業(yè)框架上的所有擋風物體的風荷載（包括斜梯、爬梯、樓層上小操作平臺等），并對設備、管道等非結構部分的風荷載進行計算可保證計算精度，降低不確定性并提高計算荷載效率。因風荷載計算中仍存在許多不確定性，當風荷載效應在效應組合中的比重較大時，應注意結構設計可靠度偏低的可能性。尤其在分析停產檢修設計工況中，當風荷載效應與永久荷載效應異號時組合效應起控制的結構或構件，其可靠度更低，應引起重視。 

　　四、參考文獻 

　　[1]侯小玲．建筑結構基本風速和基本風壓問題淺析[J].山西建筑，2010（3） 

　　[2]中華人民共和國國家標準.GB 50009―2012建筑結構荷載規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.