大型轉(zhuǎn)化爐鋼結(jié)構(gòu)中超長(zhǎng)框架柱：支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄔德勝，李青松

(四川天一科技股份有限公司，四川成都610200)

1 工程概況

本工程為中石油撫順石化某分公司技造工程6×104Nm3/h轉(zhuǎn)化制氫裝置之轉(zhuǎn)化爐鋼結(jié)構(gòu)(圖1)。工程地點(diǎn)位于遼寧省撫順地區(qū)，為一工業(yè)爐裝置，平面尺寸為:16.58 m×17.15 m，共有六層:爐底層、爐膛層、爐頂層、爐管吊架掛層、熱風(fēng)管層和雨棚屋面層。立面上各層層高除爐膛層為13.36 m外，其余各層相近，為2.8～3.7 m，結(jié)構(gòu)總高25.2 m。雨棚屋面層為一帶挑檐的雙坡屋面，外挑長(zhǎng)度3 m，屋面鋪壓型彩鋼板。轉(zhuǎn)化爐的東面接對(duì)流段，在爐底需開(kāi)一煙道層大洞:16.5 m(寬)×3 m(高)，工業(yè)爐專業(yè)要求中柱不能穿越煙道層，所以東面除角柱外的所有中柱在煙道層均被切斷，結(jié)構(gòu)在此需進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)化爐四周因操作和檢修需要，在每層局部均設(shè)有1.5 m寬外挑平臺(tái)。轉(zhuǎn)化爐主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用樁基。

圖1 轉(zhuǎn)化爐空間結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)布置和選型

轉(zhuǎn)化爐鋼結(jié)構(gòu)為無(wú)填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)體系，矩形柱網(wǎng)布置，鋼柱、鋼梁采用熱軋H型鋼，支撐、平臺(tái)梁等采用普通槽鋼或工字鋼。轉(zhuǎn)化爐沿四周設(shè)一圈鋼柱，中間為爐膛，柱截面初步設(shè)計(jì)方案為熱軋H型鋼HW350×350×12×19，框架南北向跨度為17.12 m，東西向跨度為16.58 m。在爐底層中間部位設(shè)有短柱。在爐頂以上層因有爐膛不能設(shè)柱，而跨度和荷載都較大，為增加結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，在雨棚屋面層的縱橫兩個(gè)方向均設(shè)豎桿和斜桿，形成剛度很大的空間桁架，其下的爐頂層、爐管吊架掛層、熱風(fēng)管層均設(shè)豎向吊桿懸掛于桁架下弦節(jié)點(diǎn)。桁架斜桿為雙肢角鋼組合截面2?180×110×10，直桿和豎向吊桿均為熱軋H型鋼HW200×200×8×12。轉(zhuǎn)化爐東側(cè)底部接對(duì)流段設(shè)煙道層大洞處，在洞頂設(shè)雙層桁架進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，為使結(jié)構(gòu)整體空間剛度均衡協(xié)調(diào)，在煙道層頂標(biāo)高處沿轉(zhuǎn)化爐四周通設(shè)一圈桁架，桁架斜桿均為熱軋H型鋼 HW200×200×8×12。爐膛部位鋼柱凈高為13.36 m，在此高度范圍內(nèi)，除四根角柱外其余鋼柱在爐壁平面內(nèi)設(shè)有層間梁，而在垂直爐壁的平面內(nèi)無(wú)法設(shè)梁，在此平面內(nèi)形成超長(zhǎng)實(shí)腹式鋼柱。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)本工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50 a;結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)。

(2)基本風(fēng)壓:0.45 kN/m2，地面粗糙類別:B類。

(3)屋面活載:0.50 kN/m2(不上人屋面);爐體外平臺(tái)走道活載:4.5 kN/m2;

(4)抗震設(shè)防類別:乙類;設(shè)防烈度按7度設(shè)防;設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g;地震分組第一組;場(chǎng)地類別:II類。

(5)主結(jié)構(gòu)(框架梁、柱、支撐、連接板)均采用Q235B鋼。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

由于本工程系超長(zhǎng)框架柱—支撐體系，且由于二層煙道層的存在，使結(jié)構(gòu)立面剛度突變較大，屬于結(jié)構(gòu)立面極不規(guī)則結(jié)構(gòu)，對(duì)水平風(fēng)荷載和地震荷載較敏感，水平側(cè)移較大，在結(jié)構(gòu)發(fā)生變形后應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)變形后的位形和變形對(duì)外力的效應(yīng)，此效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定影響較大，不應(yīng)忽略。針對(duì)本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)分析計(jì)算采用二階彈性法。

4.1 框架二階彈性分析法

本工程結(jié)構(gòu)分析計(jì)算時(shí)采用二階彈性法，對(duì)結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)做如下考慮:

(1)施加水平概念力考慮結(jié)構(gòu)的初始缺陷

(2)重力對(duì)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的P－Δ效應(yīng)通過(guò)修改結(jié)構(gòu)剛度矩陣實(shí)現(xiàn)。

4.1.1 結(jié)構(gòu)的初始缺陷和水平概念力

所有鋼結(jié)構(gòu)和構(gòu)件由于均存在初始缺陷，如柱子的初傾斜、初偏心和殘余應(yīng)力，結(jié)構(gòu)在外力作用下發(fā)生變形均應(yīng)考慮初始缺陷對(duì)內(nèi)力的影響，其影響程度可通過(guò)在框架每層柱的柱頂作用附加的假向水平力(概念荷載)來(lái)綜合體現(xiàn)(圖 2)[2]。

4.1.2 關(guān)于P－Δ效應(yīng)

圖2 水平概念力示意

P－Δ效應(yīng)是一種幾何非線性效應(yīng)，線彈性分析總是在初始構(gòu)形上建立平衡方程，對(duì)于側(cè)移較大的結(jié)構(gòu)，平衡方程須在變形后的位置上建立才合理，才可以體現(xiàn)出垂直力的側(cè)移效應(yīng)[5]。

本工程中P－Δ效應(yīng)由程序通過(guò)修改結(jié)構(gòu)剛度矩陣實(shí)現(xiàn)。

4.2 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果

本工程結(jié)構(gòu)計(jì)算程序采用PMSAP和SATWE程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1、表2。

表1 結(jié)構(gòu)前6階自振周期(s)

表2 層間位移角

4.3 彈形時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果

由于本工程結(jié)構(gòu)立面復(fù)雜，豎向剛度突變不規(guī)則，采用PMSAP程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算，地震波選取了7組地震波時(shí)程曲線(2組人工波+5組實(shí)際記錄地震波)，結(jié)構(gòu)彈性動(dòng)力時(shí)程分析和CQC分析的層間位移結(jié)果詳見(jiàn)圖3、圖4。

4.4 超長(zhǎng)框架柱的長(zhǎng)細(xì)比問(wèn)題

由于本工程框架柱系無(wú)樓板層的超長(zhǎng)柱結(jié)構(gòu)，如何考慮框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，并控制框架柱的容許長(zhǎng)細(xì)比是本工程設(shè)計(jì)的難題，框架柱長(zhǎng)細(xì)比的合理選取不僅只是考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全問(wèn)題，它對(duì)本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制尺寸和經(jīng)濟(jì)合理性直接相關(guān)。

4.4.1 按傳統(tǒng)規(guī)范考慮框架柱長(zhǎng)細(xì)比

關(guān)于框架柱計(jì)算長(zhǎng)度，長(zhǎng)期的通行計(jì)算理論和現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的做法實(shí)際是逐個(gè)構(gòu)件設(shè)計(jì)法，即把框架柱和橫梁作為單獨(dú)構(gòu)件來(lái)處理，只是在計(jì)算時(shí)考慮其相互約束來(lái)確定桿件計(jì)算長(zhǎng)度，詳鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[2]中的計(jì)算簡(jiǎn)化假定。對(duì)本工程這種超長(zhǎng)框架柱—支撐結(jié)構(gòu)體系，這種框架柱計(jì)算長(zhǎng)度計(jì)算簡(jiǎn)化假定會(huì)有如下問(wèn)題:

圖3 X向彈性時(shí)程分析樓層位移角

圖4 Y向彈性時(shí)程分析樓層位移角

(1)框架柱的失穩(wěn)和變形模型假設(shè)理論太過(guò)理想，與工程實(shí)際結(jié)構(gòu)框架柱發(fā)生失穩(wěn)變形相差太大，尤其在地震作用下結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性時(shí)，計(jì)算假定模型會(huì)太過(guò)失真。

(2)在確定框架柱計(jì)算長(zhǎng)度和確定等效彎矩系數(shù)時(shí)兩次考慮P－Δ效應(yīng)，結(jié)構(gòu)偏于保守。

(3)按傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)法分別求得的框架柱平面內(nèi)外長(zhǎng)細(xì)比λx，λy，若再參照抗震規(guī)范[3]的抗震構(gòu)造措施強(qiáng)制性條文規(guī)定二級(jí)鋼框架長(zhǎng)細(xì)比不大于來(lái)控制，試算結(jié)果則大部分框架柱的穩(wěn)定應(yīng)力比小于0.2，軸壓比＜0.1。

顯然采用傳統(tǒng)一階彈性分析計(jì)算框架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，并按抗震規(guī)范要求控制框架柱長(zhǎng)細(xì)比則太嚴(yán)，框架柱的穩(wěn)定承載力潛力很大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于保守，經(jīng)濟(jì)性太差。

4.4.2 按極限承載力概念設(shè)計(jì)考慮框架長(zhǎng)細(xì)比

實(shí)際上框架結(jié)構(gòu)中壓彎構(gòu)件不是一根孤立的兩端鉸支或其他支承形式的桿件，而是空間框架的組成部分，框架柱的失穩(wěn)實(shí)質(zhì)上屬于框架的整體失穩(wěn)問(wèn)題，框架柱、梁、支撐應(yīng)是空間體系整體協(xié)同作用，要準(zhǔn)確確定各結(jié)構(gòu)桿件的計(jì)算長(zhǎng)度，理論上應(yīng)對(duì)框架—支撐上進(jìn)行整體極限承載力分析，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析每根桿件發(fā)生失穩(wěn)變形的模態(tài)形狀并考慮塑形因素求得，各桿件在不同荷載作用下實(shí)際發(fā)生屈服進(jìn)入塑形階段并不是同時(shí)發(fā)生的，而要完全實(shí)現(xiàn)采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的整體極限承載力分析法確定每根桿件在不同荷載工況下的計(jì)算長(zhǎng)度，計(jì)算工作量和難度太大，現(xiàn)階段直接用于設(shè)計(jì)也是不太現(xiàn)實(shí)的。但設(shè)計(jì)上可采用如下極限承載力概念設(shè)計(jì)思路:

(1)通過(guò)分析結(jié)構(gòu)的二階彈形分析變形模態(tài)，盡量通過(guò)調(diào)整框架梁、柱、支撐斷面和結(jié)構(gòu)布置，通過(guò)桿件間互相空間協(xié)同作用，讓盡量多的框架柱變形模態(tài)能夠大體一致。

(2)充分考慮各變形模態(tài)一致的框架柱的相互空間協(xié)調(diào)支持作用，并考慮與計(jì)算柱連續(xù)的上下層柱的支持作用，分析各框架柱的穩(wěn)定承載力應(yīng)力比是否有潛力，潛力較高者可對(duì)其他柱起支持作用，被支持的框架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)可折減，提供支持的框架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)應(yīng)提高。

(3)在結(jié)構(gòu)整體進(jìn)入極限塑形變形后，為保證框架柱之間的相互支持協(xié)同作用，保持相同變形模態(tài)失穩(wěn)模型，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的彈性分析結(jié)構(gòu)，找出結(jié)構(gòu)的薄弱層和薄弱點(diǎn)，找出整體結(jié)構(gòu)的最先可能出現(xiàn)的塑性鉸位置，確定結(jié)構(gòu)極限塑形變形計(jì)算模型。為滿足“小震不壞，大震不倒”的結(jié)構(gòu)抗震的概念設(shè)計(jì)，塑性鉸的最先出現(xiàn)位置必須控制在框架梁而非框架柱上。在罕遇地震作用下，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)通過(guò)抗震構(gòu)造措施實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)連接概念設(shè)計(jì)，使塑性鉸的出現(xiàn)位置和整體結(jié)構(gòu)極限失穩(wěn)符合預(yù)期設(shè)計(jì)模型。

4.4.3 本工程框架長(zhǎng)細(xì)比的設(shè)計(jì)控制

由于設(shè)計(jì)中完全采用二階彈塑性分析方法分析復(fù)雜框架—支撐結(jié)構(gòu)還缺少實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，尤其在大地震作用下，框架—整體結(jié)構(gòu)的一系列塑性鉸出現(xiàn)可能的不確定性，因此本工程對(duì)長(zhǎng)細(xì)比問(wèn)題設(shè)計(jì)處理如下:

(1)二階彈性結(jié)構(gòu)分析考慮水平概念力和豎向重力的P－Δ效應(yīng)，結(jié)構(gòu)分析中框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取μ=1.0，并分析每根框架柱在荷載作用下的變形模態(tài)形狀，通過(guò)控制結(jié)構(gòu)斷面尺寸和布置使框架柱變形形狀模態(tài)盡量一致。

(2)按傳統(tǒng)規(guī)范法求出每根框架的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)和長(zhǎng)細(xì)比。

(3)由于大部分框架柱的潛力較大，軸壓比和穩(wěn)定應(yīng)力比都較小，考慮框架柱與支撐的空間協(xié)同支持作用，變形模態(tài)形狀相同的框架柱取用平均長(zhǎng)細(xì)比λ=1/n∑λi。

(4)在大震作用下，為保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和延性，控制框架柱的長(zhǎng)細(xì)比，參照石油化工業(yè)管式爐鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范[4]中的要求，取用框架柱平均長(zhǎng)細(xì)比λ≤120。

最后經(jīng)結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)比較，本工程采用二階彈性計(jì)算并按上述方案考慮長(zhǎng)細(xì)比問(wèn)題設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)用量，對(duì)比傳統(tǒng)方法一階彈性計(jì)算和逐柱長(zhǎng)細(xì)比規(guī)范計(jì)算法，前者比后者在本工程中可節(jié)約15%以上的用鋼量。在設(shè)計(jì)中用二階彈性分析并考慮結(jié)構(gòu)整體極限承載力處理框架柱長(zhǎng)細(xì)比，經(jīng)濟(jì)效益是十分顯著的。

5 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

按照“小震不壞，大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)原則，在小震作用下的彈性分析計(jì)算實(shí)際上是讓結(jié)構(gòu)具備一定抵抗地震作用的強(qiáng)度儲(chǔ)備，現(xiàn)階段大地震作用下提高結(jié)構(gòu)抗震性能更多是依靠概念設(shè)計(jì)，即加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合本工程結(jié)構(gòu)整體極限承載力分析框架柱設(shè)計(jì)法和抗震概念設(shè)計(jì)，本工程結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算和構(gòu)造措施如下:

(1)框架軸壓比和長(zhǎng)細(xì)比控制。

為使框架柱具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備和潛力，控制框架柱的最大軸壓比不大于0.4，平均長(zhǎng)細(xì)比不大于120，對(duì)煙道層間變形最大的兩根角柱，控制其長(zhǎng)細(xì)比不大于80，支撐長(zhǎng)細(xì)比不大于120。

(2)強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)域、支撐強(qiáng)度和強(qiáng)連接板設(shè)計(jì)承載力驗(yàn)算。

為保證框架梁屈服先于框架柱，相交的框架梁柱全塑性承載力應(yīng)滿足:

節(jié)點(diǎn)域屈服承載力:ψ(Mpb1+Mpb2)/Vp≤(4/3)fyv

支撐和連接板的抗震承載力按抗規(guī)和鋼規(guī)計(jì)算和控制，不再詳述，但應(yīng)保證支撐的屈服先于節(jié)點(diǎn)板，即實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接。

(3)框架梁、柱、支撐的寬厚比控制。

為符合強(qiáng)柱弱梁延性抗震結(jié)構(gòu)模型，框架梁、柱、支撐進(jìn)入塑性階段后，要求產(chǎn)生的塑性鉸能產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)構(gòu)件中的板件寬厚比應(yīng)按規(guī)范中塑性設(shè)計(jì)和抗震相關(guān)要求嚴(yán)加控制，避免由于板件局部失穩(wěn)而使構(gòu)件失去承載能力，導(dǎo)致大震作用下預(yù)期延性結(jié)構(gòu)模型不能實(shí)現(xiàn)。

(4)塑形鉸位置和犬骨式構(gòu)造。

強(qiáng)柱弱梁概念設(shè)計(jì)中，確保塑性鉸先于框架柱出現(xiàn)在框架梁上最為關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)在大震作用下只有使框架梁在預(yù)定位置出現(xiàn)塑形鉸，才有可能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的抗震塑性計(jì)算模型，本工程設(shè)計(jì)中采用的是犬骨式(RBS)構(gòu)造如圖5。

圖5 犬骨式構(gòu)造

6 結(jié)論

(1)對(duì)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)初始缺陷，通過(guò)施加水平概念力并考慮P－Δ效應(yīng)，進(jìn)行二階彈性分析，并找出結(jié)構(gòu)的薄弱層。

(2)采用二階彈性分析的鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的彈塑形極限承載力和變形狀態(tài)。

(3)對(duì)框架柱的失穩(wěn)和長(zhǎng)細(xì)比問(wèn)題，應(yīng)結(jié)合彈性分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)的彈塑形極限承載力和變形狀態(tài)綜合分析，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮框架柱、支撐的協(xié)同空間作用，考慮結(jié)構(gòu)潛力來(lái)處理長(zhǎng)細(xì)比問(wèn)題。

(4)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)符合“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)域、強(qiáng)連接”概念設(shè)計(jì)，抗震構(gòu)造措施是實(shí)現(xiàn)延性抗震塑形結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

(5)采用二階彈性分析并考慮結(jié)構(gòu)整體極限變形分析法，對(duì)比傳統(tǒng)的一階彈性分析法，可大幅節(jié)約用鋼量，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(第3版)[M].北京:科學(xué)出版社，2005

[2]GB 50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3]GB 50011－2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4]SH/T3070－2005石油化工管式爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[5]中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部.PMSAP用戶手冊(cè)[M]

[6]中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部.SATWE用戶手冊(cè)[M]