Staad Pro在高架火炬结构分析中的应用

周军，卢娇

（霍尼韦尔中国有限公司，上海 201203；中国联合工程公司，浙江 杭州 310052）

0 前 言

STAADPRO(Structural Analysis And Design结构分析和设计)是美国BENTLEY公司在收购REI之后在原有软件基础上升级推出的一款结构工程分析软件。它不但适用于普通工程设计，也广泛应用于超高层建筑物、管路、化工厂车间、隧道、桥梁和特种结构的结构计算。其核心算法涵盖经典力学方法和现代有限元理论，可以完成非线性、屈曲、谐响应、瞬态响应分析等高级计算功能。软件自带友好的图形界面和完善的后处理人机交互功能，是国际上结构设计领域里得到广泛认可的通用受力分析与结构设计工具。在国内，一些大型设计院和外资设计公司经常应用STAADPRO对一些复杂高层结构、大跨度结构进行受力分析，或者作为对常规工程应用PKPM计算后的补充计算和校核。因为对力学概念的清晰表达和重视，使其在应用于特种结构尤其是钢结构和空间结构的力学分析时具有很大的优势。

1 火炬塔架项目概况

本项目可拆卸高架火炬项目位于宁夏宁东化工基地，塔架结构基底为正方形，边长21m，总高144m。采用镀锌钢管三角形空间桁架结构。设计基本风压0.65kPa(重现期50年)，抗震设防基本烈度8度。考虑到结构模型中存在很多平面外斜向支撑杆件，用PKPM进行建模分析存在潜在困难，且效率不高，于是决定采用STAADPRO建模分析配合SSDD作为对中国钢结构规范的校核。

2 力学模型

STAAD PRO杆元结构的建模方法主要有直接建模法、DXF导入法和脚本语言法。

直接建模法适用于标准层比较多的结构，例如各类工业与民用建筑。先在STAADPRO中建立轴网，在轴网上按层依次布置梁柱单元，再对标准层单元沿高度方向根据标高分布进行复制，最后进行局部调整从而形成整体模型。这种建模方法的缺点是对于标准层尺度沿高度渐变的塔架结构空间定位比较困难。

对于火炬塔架这种层平面沿高度渐变的复杂空间结构，利用Autocad强大的三维画线功能作为前处理建模平台，通过DXF文件导入模型到力学计算软件的方法是比较方便的。在模型互导过程中程序会提示选择合适的量纲，此时应注意尺度单位需要与Autocad建模时采用的单位一致。

模型导入后需应用[几何]-[打断]命令将所有杆件在节点处打断，否则这些杆件在节点处无法作到变形协调。这种方法在导入过程中可能会导致重复节点、重复杆件等问题，尤其当结构构件过多、且结构形式复杂时，会使问题更加突出。所以在进行进一步的建模工作前，应使用工具菜单下的[重复]检查功能，对模型中重复的节点杆件进行合并删除，以避免在模型分析中产生各种莫名奇怪的错误输出。

STAADPRO的核心脚本语言文件STD文件包含了除数值算法之外的所有的模型数据信息。从理论上讲，直接编辑该文件可以完全替代所有的STAADPRO界面操作，设计人员只要熟悉STD脚本语言的格式和表述方法，并具有一定的编程能力，就可以用程序语言构建整个计算模型。但是程序代码毕竟不直观，完全依靠坐标代数来构建空间几何准确性不高，其效率也比DXF导入要低很多。因此直接修改脚本文件通常只应用于后期模型调试与控制。

3 荷载输入

火炬塔架主要承受自重荷载、风荷载、地震荷载和裹冰荷载，其中风荷载起主导控制作用。传统的风荷载输入方法是把风压力（面荷载）按照支撑结构的从属面积分配到梁柱撑上，按构件线荷载或者节点荷载的方式输入模型。当塔架结构构件比较多时，这种方法是非常费时费力的。STAADPRO 8i提供了一种对风荷载进行定义的方法以减轻模型编辑的工作量，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可以根据边界支撑条件对风荷载自动进行导荷，大大地节约了建模的时间，同时避免了繁杂的人为输入造成的错误。

3.1 横风向共振等效静力风荷载

风吹过圆形截面桅杆结构，由于风来流的局部制动在尾流交替的旋涡脱落，称为Karman涡流。这些涡流在结构两侧不断脉动，从而产生横向风振干扰力。

火炬筒由于支撑在火炬塔架上，跨度直径比一般比较小，超临界强风震动一般不会发生在第一振型周期；但是应当注意检查第二振型的周期雷诺数范围及产生的动力荷载，当可能发生横风震动时应该调整火炬筒支撑距离以避免共振发生。

3.2 支座边界条件

火炬塔架的柱底弯矩一般都比较大，考虑到地脚锚栓的刚度，一般都按照刚性支座设定边界条件。这种假定对柱脚和底部柱端的设计都是偏保守和足够安全的。但是柱脚在实际工作中由于锚栓的变形会产生一定的扭转，从而增大了上部结构的侧向位移和P-△二阶效应，这种效应对上部结构的变形和弯矩是偏不利的。考虑到这种柱脚受力的半钢性特点，建议采用两种可能的边界条件假设，进行包络设计。

火炬塔架每层之间都布置“人”字形斜撑以提供抗侧刚度。主斜撑的两端均采用多排镀锌高强螺栓和节点板作为紧固连接。由于高强螺栓和节点板镀锌后抗滑移性能都有所下降，斜撑端点边界条件在平面内的转动约束折减为0.8，平面外的转动约束保守取0.0。对于一些次要斜撑，其主要作用是对主斜撑起到支撑作用，可以用STAADPRO中的TRUSS单元进行模拟，只考虑杆件的轴向刚度和平动约束。

4 结构分析

由于高架火炬是石化工艺流程安全的关键设备，火炬失效有可能造成有毒物质巨量泄露，造成重大人员伤亡。《石油化工企业排气筒和火炬塔架设计规范》（SHJ29-1991）要求，火炬塔架的设计安全等级为一级，相当于各种荷载组合效应应放大1.1倍。

火炬塔架底部柱子一般直径比较大、壁厚大约在30～50mm。参考钢结构设计规范，对壁厚大于16mm的结构构件设计强度应予以折减。Q235钢的屈服强度较低，从而使计算材料壁厚大，折减系数高，材料性能不能得到充分发挥。因此采用屈服强度高的Q345低碳合金钢，对材料的重复利用和节约造价都是有利的（Q235的抗震延性要好于Q345,但是塔架结构设计一般较少由地震工况控制）。

钢结构设计的核心问题是构件的强度、变形和稳定问题。根据石化塔架经验，火炬塔架在风荷载作用下的顶部位移值应控制到1/200,相当于简支构件跨中挠度1/400以内。这样的变形值能够满足工艺管道专业对支撑位移要求，由结构自重产生的P-△二阶效应也比较小，对结构的整体稳定比较有利。

钢结构受压构件的失稳是绝大多数钢结构破坏的根本原因，也是缺乏经验的设计人员容易忽视的地方。受压杆件的失稳主要由P-δ 和P-△效应造成。由于45°斜撑能够提供很强的侧向刚度，框架的剪切变形实际很小，由塔架层间侧移而产生的效应因此可以忽略不计。对于P-δ 稳定设计，一般采用计算长度系数法。火炬塔架通常利用斜杆抵抗水平力，和梁柱共同组成强支撑框架。而横杆和斜杆在柱子上的连接在许多位置采用了弱连接，柱端对弯矩的约束较弱，可以按无侧移框架进行设计。在STAADPRO中，层间柱子的计算长度系数按保守值取KY=1.0、KZ=1.0。

5 分析结果

5.1 控制位移和应力比

塔架在风荷载作用下顶部水平位移为426mm,按照SHJ 29-1991对塔架顶部位移的限制要求，火炬塔架在标准风荷载的作用下，顶部水平位移应小于塔架总高度的1/200，因而计算结果对结构位移的限制是满足的。底部主柱的应力比最大值为0.8<1.0，考虑到环境腐蚀裕度，施工误差和主柱的冗余度，对主柱极限承载力留有0.2的裕量是必要的。

5.2 动力分析

塔架结构的动力分析采用反应谱法，塔架自振第一、第二周期为塔架结构在两个方向的平动基本自振周期。塔架结构在各层的平面投影为正方型，因而在两个侧向基本周期比较接近。但是，由于没有刚性楼板来协调同层变形，塔架各层质量体容易产生自振的各向性，在振型组合时应保证截取组合值多于90%质量参与的振型数量进行组合，才能正确反应出塔架整体的动力特性。

塔架结构振型和质量参与 表1

6 设计理念的差异

STAAD.PRO是一款功能强大的有限元结构分析软件，也可以被看做是美国工程计算软件的一个代表。但是该软件设计理念与中国软件不是很一致。从软件的具体应用来看，美国软件非常强调工程师对力学概念的准确把握。模型建立过程之中工程师必须手动完成单元选取、荷载导荷、边界条件确认等关键操作。工程师必须对结构整体的力学特性和受力传导非常清楚才能建立起正确的计算模型，而软件只是方便大规模矩阵运算的数值计算工具。

在国内，很多工程师已经习惯了PKPM的建模方式，主要按层平面输入几何信息、荷载信息，然后由程序自动完成导荷、设计、出图。这种设计方法的优点是工程设计周期短、效率高，往往由一个设计者从头到位完成一个设计项目。其负面作用是忽视了人在设计过程中的互动思考作用，软件过程过于傻瓜，软件存在很多内部的暗箱操作，容易使设计人员失去对结构整体受力特性的判断与控制，成为纯粹的制图人员。

7 结 语

宁煤高架火炬是笔者公司在西北能源基地首次采用可拆卸式的高架火炬项目。从目前项目建设看，这项工作达到了预定的设计目标。也证明了STAADPRO作为一款原生于美国的工程计算软件，在有经验的工程师的有效控制下，能够很好的满足中国工程设计的技术要求。然而，无论是软件还是规范条文，都必须经过操作者的合理运用才能获得正确的分析结论。有限元分析作为计算科学长期发展的结晶，无疑为工程实践提供了有力的工具和支持。但是，拥有清晰的力学概念，能够正确对程序的结果进行甄别与判定，才是一个优秀工程师应有的核心价值。

[1]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].北京：中国计划工业出版社,2003.

[2]SHJ 29-91，石油化工企业排气筒和火炬塔架设计规范[S].北京：中国石化出版社,1992.

[3]李晓峰，孙立夫，林润松.STAADPRO在钢结构稳定设计中的应用[Z].

[4]包欣.STAADPRO空间分析程序在钢结构设计与分析中的应用[J].城市建设理论研究，2011(15).