等效静力法模拟风荷载的探讨

等效静力法模拟风荷载的探讨

摘要：本文应用CAESAR II软件采用等效静力法模拟风荷载，详细介绍如何编辑风荷载校核工况，进行加入风荷载的一次应力校核和导向支架的受力评定。

关键词：CAESAR II 风荷载校核管道工况编辑；

Discussion on Simulating Wind Load with Equivalent Static Method

ZHANG Xian-yue LIU Junchen

（CPECC East-china Design Branch，Qingdao 266071，China）

Abstract：The paper uses the equivalent static method to simulate the wind load in CAESARII software，particularly presents how to edit the wind load checking condition，and provides the method to how to consider the the primary stress of wind load and the forces of the guide supports.

Key words：CAESAR II；wind load；check；pipeline；edit condition；

CAESARII软件是由美国COADE公司研制开发的专业管道应力分析软件，它是以梁单元模型为基础的有限元分析程序，它可以进行静力分析也可以进行动力分析[1]。在炼油厂中，管道在工作状态下，除了要承受压力、重力、其他持续荷载作用，还要承受风荷载偶然荷载的作用，ASME B31.3[2]和GB50316[3]要求偶然荷载产生的一次应力不得超过操作状态许用受力的1.33倍。严格的说，风荷载属于动力荷载，应该采用动力学方法进行分析。但是由于动力分析方法过于复杂，难以应用于实际工程设计，所以风荷载计算时，可以采用等效静力法分析计算。该方法将风的荷载作用转化为等效静力荷载，然后采用静力方法进行分析[1]。

一、风荷载的输入

下面以某炼油厂的常减压装置常压塔顶油气线为例，举例说明风荷载的校核方法。根据常减压装置所在地的气象数据，确定基本风压值[4]和地面粗糙度[4]的类别，计算不同高度对应的风压值，输入到CAESAR II风荷载数据表中。考虑到风方向的不确定性，通常将东南西北四个方向的风全部引入到分析模型中，并进行相应的偶然工况编辑，完成受力校核计算。如图1所示填入风荷载和对应高度值：

图1

二、风荷载的工况编辑

LOAD cases stress type

L1：W HGR弹簧选型工况，仅包含重量

L2：W+D1+T1+P1 HGR弹簧选型工况，用于选出弹簧位移

L3：W+D1+T1+P1+H OPE正常操作工况

L4：W+D1+T1+P1+H+WIN1 OCC 偶然操作工况（正常操作+风荷载）

L5：W+D1+T1+P1+H+WIN2 OCC 偶然操作工况（正常操作+风荷载）

L6：W+D1+T1+P1+H+WIN3 OCC 偶然操作工况（正常操作+风荷载）

L7：W+D1+T1+P1+H+WIN4 OCC 偶然操作工况（正常操作+风荷载）

L8：W+P1+H SUS一次应力核算

L9：L4-L3 OCC 偶然操作工况（纯风工况）

L10：L5-L3 OCC 偶然操作工况（纯风工况）

L11：L6-L3 OCC 偶然操作工况（纯风工况）

L12：L7-L3 OCC 偶然操作工况（纯风工况）

L13：L8+L9 OCC 偶然操作工况（风荷载作用下的组合应力）

L14：L8+L10 OCC 偶然操作工况（风荷载作用下的组合应力）

L15：L8+L11 OCC 偶然操作工况（风荷载作用下的组合应力）

L16：L8+L12 OCC 偶然操作工况（风荷载作用下的组合应力）

L17：L3-L8 EXP二次应力核算

根据ASME B31.3[2]和GB50316[3]规范的要求，偶然荷载定义为短时间的持续荷载，应力校核应该与持续荷载归为一类，即偶然荷载需要校核其一次应力。

由于计算的管道系统是一个非线性系统，非线性约束的刚度会随着管道的位置或所产生推力的大小发生改变，要得到的是一个风荷载作用的位移范围，而不是处于初始状态的单纯风荷载作用。因此，SUS+[（OPE+WIN）-OPE]与SUS+WIN 在非线性系统中是完全不一样的。

由此可见，L9～L12工况的设置应该为：首先新定义一个OPE工况，并加入风荷载得到OPE+WIN；其次，将新叠加后的工况即OPE+WIN与软件自动生成的OPE工况进行减运算，得到包含了非线性因素的纯风荷载，获得新的偶然荷载；最后，将上诉重新求解的偶然荷载与SUS工况进行叠加，以评定其偶然应力OCC。

三、校核加入风荷载的一次应力

管线如图2所示，表1列出了L13～L16工况与直接采用SUS+WIN工况组合下40点（常压塔沿塔自上而下敷设的管道第一个支架：导向加承重）的一次应力比较：

图2

由此可以看出，SUS+[（OPE+WIN）-OPE]与SUS+WIN得到的一次应力是不同的，因此不能用简单的SUS+WIN校核一次应力。

四、评定加入风荷载的导向支架受力

在评定偶然荷载作用下操作工况的荷载大小时，也需要将风荷载与OPE操作工况相叠加，即评定OPE+WIN工况下的受力情况。

表2 列出了OPE工况和OPE+WIN工况下40点支架受力情况：

由此看到不同方向的风荷载对于支架的受力有不同影响，某个方向上可能会增大也可能会减少，这取决于风荷载的作用方向是否与引起管道约束受力的不利因素方向一致或相反。

五、总结

由于大直径管道沿管道方向的横截面积较大，有风荷载作用时对管系一次应力及管道支吊架受力影响较大，所以一般要求大直径管道沿塔或其他立式设备在标高高于10m的管段都要进行风荷载的一次应力校核和导向支架的受力评定。在编辑风荷载组合工况时，不能直接用W+P+WIN评定风荷载的一次应力。

参考文献：

[1] 唐永进.压力管道应力分析.北京：中国石化出版社。2003.

[2] ASME B31.3-2012 Process Piping The American Society of Mechanical Engineers[s]

[3] GB50316-2000（2008年版）工业金属管道设计规范[s].北京：中国计划出版社，2008.