周軍，盧嬌

（霍尼韋爾中國有限公司，上海 201203；中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310052）

0 前 言

STAADPRO(Structural Analysis And Design結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì))是美國BENTLEY公司在收購REI之后在原有軟件基礎(chǔ)上升級(jí)推出的一款結(jié)構(gòu)工程分析軟件。它不但適用于普通工程設(shè)計(jì)，也廣泛應(yīng)用于超高層建筑物、管路、化工廠車間、隧道、橋梁和特種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算。其核心算法涵蓋經(jīng)典力學(xué)方法和現(xiàn)代有限元理論，可以完成非線性、屈曲、諧響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)分析等高級(jí)計(jì)算功能。軟件自帶友好的圖形界面和完善的后處理人機(jī)交互功能，是國際上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域里得到廣泛認(rèn)可的通用受力分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具。在國內(nèi)，一些大型設(shè)計(jì)院和外資設(shè)計(jì)公司經(jīng)常應(yīng)用STAADPRO對一些復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，或者作為對常規(guī)工程應(yīng)用PKPM計(jì)算后的補(bǔ)充計(jì)算和校核。因?yàn)閷αW(xué)概念的清晰表達(dá)和重視，使其在應(yīng)用于特種結(jié)構(gòu)尤其是鋼結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析時(shí)具有很大的優(yōu)勢。

1 火炬塔架項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目可拆卸高架火炬項(xiàng)目位于寧夏寧東化工基地，塔架結(jié)構(gòu)基底為正方形，邊長21m，總高144m。采用鍍鋅鋼管三角形空間桁架結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓0.65kPa(重現(xiàn)期50年)，抗震設(shè)防基本烈度8度?？紤]到結(jié)構(gòu)模型中存在很多平面外斜向支撐桿件，用PKPM進(jìn)行建模分析存在潛在困難，且效率不高，于是決定采用STAADPRO建模分析配合SSDD作為對中國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的校核。

2 力學(xué)模型

STAAD PRO桿元結(jié)構(gòu)的建模方法主要有直接建模法、DXF導(dǎo)入法和腳本語言法。

直接建模法適用于標(biāo)準(zhǔn)層比較多的結(jié)構(gòu)，例如各類工業(yè)與民用建筑。先在STAADPRO中建立軸網(wǎng)，在軸網(wǎng)上按層依次布置梁柱單元，再對標(biāo)準(zhǔn)層單元沿高度方向根據(jù)標(biāo)高分布進(jìn)行復(fù)制，最后進(jìn)行局部調(diào)整從而形成整體模型。這種建模方法的缺點(diǎn)是對于標(biāo)準(zhǔn)層尺度沿高度漸變的塔架結(jié)構(gòu)空間定位比較困難。

對于火炬塔架這種層平面沿高度漸變的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，利用Autocad強(qiáng)大的三維畫線功能作為前處理建模平臺(tái)，通過DXF文件導(dǎo)入模型到力學(xué)計(jì)算軟件的方法是比較方便的。在模型互導(dǎo)過程中程序會(huì)提示選擇合適的量綱，此時(shí)應(yīng)注意尺度單位需要與Autocad建模時(shí)采用的單位一致。

模型導(dǎo)入后需應(yīng)用[幾何]-[打斷]命令將所有桿件在節(jié)點(diǎn)處打斷，否則這些桿件在節(jié)點(diǎn)處無法作到變形協(xié)調(diào)。這種方法在導(dǎo)入過程中可能會(huì)導(dǎo)致重復(fù)節(jié)點(diǎn)、重復(fù)桿件等問題，尤其當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件過多、且結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜時(shí)，會(huì)使問題更加突出。所以在進(jìn)行進(jìn)一步的建模工作前，應(yīng)使用工具菜單下的[重復(fù)]檢查功能，對模型中重復(fù)的節(jié)點(diǎn)桿件進(jìn)行合并刪除，以避免在模型分析中產(chǎn)生各種莫名奇怪的錯(cuò)誤輸出。

STAADPRO的核心腳本語言文件STD文件包含了除數(shù)值算法之外的所有的模型數(shù)據(jù)信息。從理論上講，直接編輯該文件可以完全替代所有的STAADPRO界面操作，設(shè)計(jì)人員只要熟悉STD腳本語言的格式和表述方法，并具有一定的編程能力，就可以用程序語言構(gòu)建整個(gè)計(jì)算模型。但是程序代碼畢竟不直觀，完全依靠坐標(biāo)代數(shù)來構(gòu)建空間幾何準(zhǔn)確性不高，其效率也比DXF導(dǎo)入要低很多。因此直接修改腳本文件通常只應(yīng)用于后期模型調(diào)試與控制。

3 荷載輸入

火炬塔架主要承受自重荷載、風(fēng)荷載、地震荷載和裹冰荷載，其中風(fēng)荷載起主導(dǎo)控制作用。傳統(tǒng)的風(fēng)荷載輸入方法是把風(fēng)壓力（面荷載）按照支撐結(jié)構(gòu)的從屬面積分配到梁柱撐上，按構(gòu)件線荷載或者節(jié)點(diǎn)荷載的方式輸入模型。當(dāng)塔架結(jié)構(gòu)構(gòu)件比較多時(shí)，這種方法是非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力的。STAADPRO 8i提供了一種對風(fēng)荷載進(jìn)行定義的方法以減輕模型編輯的工作量，命令流如下：

DEFINEWINDLOAD

TYPE 2 ASCE 7 TRUSSEDTOWER

*EXPOSUREC,TOTAL Cf ONSTEEL,

ASCE-7-2010:PARAMS 104.410 MPH 5 2 1 0 0.000 FT 0.000 FT 0.000 FT 1-

……

利用上面的命令流，STAADPRO可以根據(jù)邊界支撐條件對風(fēng)荷載自動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)荷，大大地節(jié)約了建模的時(shí)間，同時(shí)避免了繁雜的人為輸入造成的錯(cuò)誤。

3.1 橫風(fēng)向共振等效靜力風(fēng)荷載

風(fēng)吹過圓形截面桅桿結(jié)構(gòu)，由于風(fēng)來流的局部制動(dòng)在尾流交替的旋渦脫落，稱為Karman渦流。這些渦流在結(jié)構(gòu)兩側(cè)不斷脈動(dòng)，從而產(chǎn)生橫向風(fēng)振干擾力。

火炬筒由于支撐在火炬塔架上，跨度直徑比一般比較小，超臨界強(qiáng)風(fēng)震動(dòng)一般不會(huì)發(fā)生在第一振型周期；但是應(yīng)當(dāng)注意檢查第二振型的周期雷諾數(shù)范圍及產(chǎn)生的動(dòng)力荷載，當(dāng)可能發(fā)生橫風(fēng)震動(dòng)時(shí)應(yīng)該調(diào)整火炬筒支撐距離以避免共振發(fā)生。

3.2 支座邊界條件

火炬塔架的柱底彎矩一般都比較大，考慮到地腳錨栓的剛度，一般都按照剛性支座設(shè)定邊界條件。這種假定對柱腳和底部柱端的設(shè)計(jì)都是偏保守和足夠安全的。但是柱腳在實(shí)際工作中由于錨栓的變形會(huì)產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)，從而增大了上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和P-△二階效應(yīng)，這種效應(yīng)對上部結(jié)構(gòu)的變形和彎矩是偏不利的。考慮到這種柱腳受力的半鋼性特點(diǎn)，建議采用兩種可能的邊界條件假設(shè)，進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

火炬塔架每層之間都布置“人”字形斜撐以提供抗側(cè)剛度。主斜撐的兩端均采用多排鍍鋅高強(qiáng)螺栓和節(jié)點(diǎn)板作為緊固連接。由于高強(qiáng)螺栓和節(jié)點(diǎn)板鍍鋅后抗滑移性能都有所下降，斜撐端點(diǎn)邊界條件在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)約束折減為0.8，平面外的轉(zhuǎn)動(dòng)約束保守取0.0。對于一些次要斜撐，其主要作用是對主斜撐起到支撐作用，可以用STAADPRO中的TRUSS單元進(jìn)行模擬，只考慮桿件的軸向剛度和平動(dòng)約束。

4 結(jié)構(gòu)分析

由于高架火炬是石化工藝流程安全的關(guān)鍵設(shè)備，火炬失效有可能造成有毒物質(zhì)巨量泄露，造成重大人員傷亡?！妒突て髽I(yè)排氣筒和火炬塔架設(shè)計(jì)規(guī)范》（SHJ29-1991）要求，火炬塔架的設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，相當(dāng)于各種荷載組合效應(yīng)應(yīng)放大1.1倍。

火炬塔架底部柱子一般直徑比較大、壁厚大約在30～50mm。參考鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對壁厚大于16mm的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)予以折減。Q235鋼的屈服強(qiáng)度較低，從而使計(jì)算材料壁厚大，折減系數(shù)高，材料性能不能得到充分發(fā)揮。因此采用屈服強(qiáng)度高的Q345低碳合金鋼，對材料的重復(fù)利用和節(jié)約造價(jià)都是有利的（Q235的抗震延性要好于Q345,但是塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般較少由地震工況控制）。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心問題是構(gòu)件的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定問題。根據(jù)石化塔架經(jīng)驗(yàn)，火炬塔架在風(fēng)荷載作用下的頂部位移值應(yīng)控制到1/200,相當(dāng)于簡支構(gòu)件跨中撓度1/400以內(nèi)。這樣的變形值能夠滿足工藝管道專業(yè)對支撐位移要求，由結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的P-△二階效應(yīng)也比較小，對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定比較有利。

鋼結(jié)構(gòu)受壓構(gòu)件的失穩(wěn)是絕大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)破壞的根本原因，也是缺乏經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員容易忽視的地方。受壓桿件的失穩(wěn)主要由P-δ 和P-△效應(yīng)造成。由于45°斜撐能夠提供很強(qiáng)的側(cè)向剛度，框架的剪切變形實(shí)際很小，由塔架層間側(cè)移而產(chǎn)生的效應(yīng)因此可以忽略不計(jì)。對于P-δ 穩(wěn)定設(shè)計(jì)，一般采用計(jì)算長度系數(shù)法?；鹁嫠芡ǔ＠眯睏U抵抗水平力，和梁柱共同組成強(qiáng)支撐框架。而橫桿和斜桿在柱子上的連接在許多位置采用了弱連接，柱端對彎矩的約束較弱，可以按無側(cè)移框架進(jìn)行設(shè)計(jì)。在STAADPRO中，層間柱子的計(jì)算長度系數(shù)按保守值取KY=1.0、KZ=1.0。

5 分析結(jié)果

5.1 控制位移和應(yīng)力比

塔架在風(fēng)荷載作用下頂部水平位移為426mm,按照SHJ 29-1991對塔架頂部位移的限制要求，火炬塔架在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)荷載的作用下，頂部水平位移應(yīng)小于塔架總高度的1/200，因而計(jì)算結(jié)果對結(jié)構(gòu)位移的限制是滿足的。底部主柱的應(yīng)力比最大值為0.8<1.0，考慮到環(huán)境腐蝕裕度，施工誤差和主柱的冗余度，對主柱極限承載力留有0.2的裕量是必要的。

5.2 動(dòng)力分析

塔架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析采用反應(yīng)譜法，塔架自振第一、第二周期為塔架結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的平動(dòng)基本自振周期。塔架結(jié)構(gòu)在各層的平面投影為正方型，因而在兩個(gè)側(cè)向基本周期比較接近。但是，由于沒有剛性樓板來協(xié)調(diào)同層變形，塔架各層質(zhì)量體容易產(chǎn)生自振的各向性，在振型組合時(shí)應(yīng)保證截取組合值多于90%質(zhì)量參與的振型數(shù)量進(jìn)行組合，才能正確反應(yīng)出塔架整體的動(dòng)力特性。

塔架結(jié)構(gòu)振型和質(zhì)量參與 表1

6 設(shè)計(jì)理念的差異

STAAD.PRO是一款功能強(qiáng)大的有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，也可以被看做是美國工程計(jì)算軟件的一個(gè)代表。但是該軟件設(shè)計(jì)理念與中國軟件不是很一致。從軟件的具體應(yīng)用來看，美國軟件非常強(qiáng)調(diào)工程師對力學(xué)概念的準(zhǔn)確把握。模型建立過程之中工程師必須手動(dòng)完成單元選取、荷載導(dǎo)荷、邊界條件確認(rèn)等關(guān)鍵操作。工程師必須對結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)特性和受力傳導(dǎo)非常清楚才能建立起正確的計(jì)算模型，而軟件只是方便大規(guī)模矩陣運(yùn)算的數(shù)值計(jì)算工具。

在國內(nèi)，很多工程師已經(jīng)習(xí)慣了PKPM的建模方式，主要按層平面輸入幾何信息、荷載信息，然后由程序自動(dòng)完成導(dǎo)荷、設(shè)計(jì)、出圖。這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是工程設(shè)計(jì)周期短、效率高，往往由一個(gè)設(shè)計(jì)者從頭到位完成一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。其負(fù)面作用是忽視了人在設(shè)計(jì)過程中的互動(dòng)思考作用，軟件過程過于傻瓜，軟件存在很多內(nèi)部的暗箱操作，容易使設(shè)計(jì)人員失去對結(jié)構(gòu)整體受力特性的判斷與控制，成為純粹的制圖人員。

7 結(jié) 語

寧煤高架火炬是筆者公司在西北能源基地首次采用可拆卸式的高架火炬項(xiàng)目。從目前項(xiàng)目建設(shè)看，這項(xiàng)工作達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。也證明了STAADPRO作為一款原生于美國的工程計(jì)算軟件，在有經(jīng)驗(yàn)的工程師的有效控制下，能夠很好的滿足中國工程設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。然而，無論是軟件還是規(guī)范條文，都必須經(jīng)過操作者的合理運(yùn)用才能獲得正確的分析結(jié)論。有限元分析作為計(jì)算科學(xué)長期發(fā)展的結(jié)晶，無疑為工程實(shí)踐提供了有力的工具和支持。但是，擁有清晰的力學(xué)概念，能夠正確對程序的結(jié)果進(jìn)行甄別與判定，才是一個(gè)優(yōu)秀工程師應(yīng)有的核心價(jià)值。

[1]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃工業(yè)出版社,2003.

[2]SHJ 29-91，石油化工企業(yè)排氣筒和火炬塔架設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國石化出版社,1992.

[3]李曉峰，孫立夫，林潤松.STAADPRO在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[Z].

[4]包欣.STAADPRO空間分析程序在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究，2011(15).