石油化工框架的結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計方法

倪 光，徐曉強(qiáng)

（中國寰球工程公司遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

石油化工框架的結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計方法

倪 光，徐曉強(qiáng)

（中國寰球工程公司遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

為了對石油化工框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和計算，比較了結(jié)構(gòu)材料的選用;在結(jié)構(gòu)布置上，需注意柱及支撐的布置方向; 在結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路中，針對于不同的支撐設(shè)置方法，有不同的計算考慮和要求，最后，給出計算的控制指標(biāo)和框架的規(guī)定及構(gòu)造要求。總結(jié)了石油化工裝置中常見的框架的結(jié)構(gòu)布置及其設(shè)計思路。

石油化工；構(gòu)架；柱間支撐

在石油化工裝置中，框架是一種比較常見的結(jié)構(gòu)形式，包括反應(yīng)器再生器框架及冷換框架等，用以承載反應(yīng)器、換熱器、臥式、立式容器及其管線等，與裝置中管帶一起組成裝置中主要的構(gòu)筑物。本文主要針對常見的石油化工裝置中框架的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行討論，并結(jié)合最新國家及行業(yè)規(guī)范對其設(shè)計方法進(jìn)行探索。

1 結(jié)構(gòu)材料的選用及結(jié)構(gòu)布置的確定

框架可采用鋼結(jié)構(gòu)體系或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，但由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工期長，且先期施工完成后，無法再進(jìn)行后期的支、吊架埋件的設(shè)置，若工程設(shè)計周期較短，則結(jié)構(gòu)專業(yè)無法等待上續(xù)專業(yè)的支吊架就緒才開始設(shè)計,影響施工的進(jìn)度，且在石油化工裝置中，隨著裝置的投產(chǎn)使用，改造的情況時有發(fā)生，顯然鋼筋混凝土框架不利于改造，因此在實(shí)際應(yīng)用中已沒有鋼結(jié)構(gòu)框架廣泛，本文主要討論的就是鋼結(jié)構(gòu)框架。

作為結(jié)構(gòu)專業(yè)，一般都是按照上續(xù)專業(yè)的委托進(jìn)行設(shè)計，框架的平面尺寸在委托中已經(jīng)確定，如何確定結(jié)構(gòu)的平面布置是個比較關(guān)鍵的問題，圖1所示為常用的一種結(jié)構(gòu)平面布置。

圖1 框架平面布置一Fig.1 Plane arrangement 1 of framework

該布置中框架X向有三跨，Y向?yàn)閱慰?，在X向3至4軸之間設(shè)置柱間支撐（圖1中虛線所示，下同）。按照建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-2010，以下簡稱抗規(guī)）8.1.5條規(guī)定：甲乙類建筑和高層的丙類建筑不應(yīng)采用單跨框架，多層的丙類建筑不宜采用單跨框架，故此，作為乙類的反應(yīng)器框架不應(yīng)采用單跨框架，丙類的冷換框架不宜采用采用單跨框架。在柱間支撐的設(shè)置上，一般來說，冷換框架上的諸多換熱器是沿X向排列，在停產(chǎn)檢修抽芯的時候是沿Y向抽芯，那么此時，柱間支撐的設(shè)置就容易使得抽芯無法完成，不能提供設(shè)備停產(chǎn)檢修所需的操作空間，而且沿Y方向經(jīng)常有管線的設(shè)置，此時柱間支撐的設(shè)置很容易與管線發(fā)生碰撞，綜上各種因素，該平面布置方案不宜采用。

圖2所示為改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)平面布置。

圖2 框架平面布置二Fig.2 Plane arrangement 2 of framework

該布置圖與圖1相比，框架柱旋轉(zhuǎn)了90°，同時在Y向的1～4軸上設(shè)置柱間支撐，雖然在Y方向是單跨框架，由于在該方向每軸設(shè)有柱間支撐，與框架梁柱一起形成一整片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，在X方向是多跨框架，本身就是一個可以抵抗該方向水平力的結(jié)構(gòu)體系，而且，由于在X方向并不設(shè)置柱間支撐，對于冷換框架來說，該布置并不影響換熱器沿Y向的抽芯等檢修，也避免了柱間支撐的設(shè)置與該方向的管線發(fā)生碰撞。綜上各種因素，該平面布置方案較第一種布置更為科學(xué)合理。

2 框架的設(shè)計思路

在圖2中所設(shè)置的柱間支撐，根據(jù)抗規(guī)第8.1.6條規(guī)定：三、四級且高度不大于50 m的鋼結(jié)構(gòu)宜采用中心支撐，也可采用偏心支撐、屈曲約束支撐等消能支撐。中心支撐框架宜采用交叉支撐，也可采用人字支撐或單斜桿支撐，不宜采用K形支撐；支撐的軸線宜交匯于梁柱構(gòu)件軸線的交點(diǎn)，偏離交點(diǎn)時的偏心距不應(yīng)超過支撐桿件寬度，并應(yīng)計入由此產(chǎn)生的附加彎矩，這樣就增加了計算的復(fù)雜程度，故此，在設(shè)計中盡量使支撐的軸線交匯于梁柱構(gòu)件軸線的交點(diǎn)。

（1）若框架采用中心交叉支撐，此時框架可借助軟件（如PM鋼結(jié)構(gòu)模塊，以下均以此軟件為計算軟件）正常進(jìn)行計算，所得結(jié)果即可作為設(shè)計結(jié)果。

（2）若框架的柱間支撐中有人字支撐或V形支撐，見圖3。

此時在框架梁的中間形成一個支撐點(diǎn)，在PM中框架梁的計算被支點(diǎn)分為兩個桿件，這樣計算所得梁的截面比較小，但是根據(jù)抗規(guī)第8.2.6條第2款規(guī)定：人字支撐和V形支撐的框架梁在支撐連接處應(yīng)保持連續(xù)，并按不計入支撐支點(diǎn)作用的梁驗(yàn)算重力荷載和支撐屈曲時不平衡作用下的承載力；不平衡力應(yīng)按受拉支撐的最小屈服承載力和受壓支撐最大屈服承載力的0.3倍計算。因此，根據(jù)本條規(guī)定，軟件計算結(jié)果中梁的計算是不準(zhǔn)確的，并且也是不安全的。

圖3 框架立面布置一Fig.3 Elevation arrangement 1 of framework

本條規(guī)定是考慮人字支撐的腹桿在大震下受壓屈曲后，其承載力將下降，導(dǎo)致橫梁在支撐處出現(xiàn)向下的不平衡集中力，可能引起橫梁破壞，并在橫梁兩端出現(xiàn)塑性鉸；V形支撐情況類似，僅當(dāng)斜桿失穩(wěn)時橫梁向上變形，不平衡力與人字支撐情況相反。然而考慮不平衡力后梁截面過大，規(guī)范給出的建議是AISC抗震規(guī)程中針對此情況提出的做法，可將人字支撐和V形支撐沿豎向交替設(shè)置或采用拉鏈柱，這樣可以避免支撐的不平衡力對框架梁的影響，見圖4，此時有支撐的框架梁則需按不考慮支撐的支點(diǎn)進(jìn)行手工核算，或者將有支撐的軸立面從軟件中生成二維模型，在二維PK模型中，去掉支撐，再進(jìn)行計算，所得即為梁的計算結(jié)果。

圖4 框架立面布置二Fig.4 Elevation arrangement 2 of framework

若采用圖4中兩種支撐布置方案時，柱間支撐與垂直紙面的管線碰撞而無法實(shí)現(xiàn)時，則根據(jù)抗規(guī)，此時計算有支撐支點(diǎn)框架梁時，不得考慮支撐支點(diǎn)的作用，且需考慮支撐的不平衡力對梁的作用，此時可建立兩個模型來對框架進(jìn)行近似計算。第一個模型只計算實(shí)際結(jié)構(gòu)中有支撐的框架梁，可以不將柱間支撐建模，然后在軟件設(shè)置選項中控制不計算水平力，此時需要注意的是，在加上設(shè)備及管線的荷載及平臺操作活荷載后，需要將支撐的不平衡力人為加在相應(yīng)的框架梁上，然后計算所得即可作為梁的計算結(jié)果輸出；第二個模型將柱間支撐也在模型中建立，荷載與第一個模型同樣施加，采用正常計算的工況，在這個模型中可將除框架梁之外的計算結(jié)果作為其他的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算結(jié)果輸出。

綜上，計算的宗旨是柱間支撐不用來承擔(dān)垂直力，而且需考慮人字支撐對框架梁的不平衡作用力，柱間支撐用于承擔(dān)水平力，在設(shè)計中盡量采用交叉支撐，或者人字支撐和V形支撐交替設(shè)置，若前兩個支撐布置無法實(shí)現(xiàn)，再考慮最后一種布置及計算方法，這種方法可能會使結(jié)構(gòu)不能達(dá)到非常經(jīng)濟(jì)節(jié)約的效果，應(yīng)該盡量避免。

3 計算的控制指標(biāo)

3.1 彈性層間位移比

框架應(yīng)進(jìn)行多遇地震下的抗震變形驗(yàn)算，對于多、高層鋼結(jié)構(gòu)，彈性層間位移角限值為1/250[1]。該參數(shù)可在STAWE的計算結(jié)果中進(jìn)行校核。

3.2 強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算

根據(jù)抗規(guī)8.2.5第1款，框架需要進(jìn)行強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算，在構(gòu)件信息文檔中，有強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算的返回結(jié)果，可以在其結(jié)果中進(jìn)行強(qiáng)柱弱梁的校核。

3.3 柱節(jié)點(diǎn)域驗(yàn)算

根據(jù)抗規(guī)8.2.5第2款，框架需要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)域的屈服承載力驗(yàn)算，在軟件設(shè)計結(jié)果的節(jié)點(diǎn)設(shè)計文件中可查看柱節(jié)點(diǎn)域驗(yàn)算的結(jié)果，如果不滿足，則需根據(jù)規(guī)范進(jìn)行腹板補(bǔ)強(qiáng)。

4 框架的規(guī)定及構(gòu)造要求

框架（含反應(yīng)器再生器框架和冷換框架）柱腳板下宜設(shè)置抗剪鍵，與摩擦力一起承受水平剪力[2]。

4.1 反應(yīng)器再生器框架

（1）梁、柱、支撐構(gòu)件的最小厚度不應(yīng)小于8 mm，節(jié)點(diǎn)板厚度不應(yīng)小于10 mm，其它構(gòu)件的厚度不應(yīng)小于6 mm（不包括平臺板及欄桿）[2]。

（2）有抗震要求的柱下獨(dú)立基礎(chǔ)（或承臺）應(yīng)設(shè)置基礎(chǔ)連梁[2]。

4.2 冷換框架

（1）平臺上有設(shè)備、管道擋墩、支吊點(diǎn)等水平荷載作用時（例如框架平臺上設(shè)置有空冷器或電機(jī)基座時），該層應(yīng)設(shè)置可靠的水平支撐系統(tǒng)[3]。

（2）當(dāng)各榀框架側(cè)向剛度相差較大、豎向支撐布置又不規(guī)則時，宜在頂層、中間層設(shè)置水平支撐[3]。

（3）平臺鋪板采用鋼格柵板時，應(yīng)在頂層并至少每隔一層設(shè)置水平支撐[3]。

（4）直接支承重要設(shè)備的設(shè)備梁不宜拼接接長，其他梁僅允許拼接一次，拼接接頭應(yīng)錯開支座、跨中和梁梁節(jié)點(diǎn)等應(yīng)力較大或受力較大處。焊接H型鋼梁采用焊接接長時，翼緣拼接焊縫與腹板拼接焊縫間的距離不應(yīng)小于200mm[3]。

（5）柱頭拼接距框架梁上方的距離，可取1.3 m和柱凈高一半二者的較小值。焊接H型鋼柱焊接接長時，翼緣拼接焊縫與腹板拼接焊縫宜錯開，其間距不應(yīng)小于200 mm。同軸線柱不應(yīng)在相同標(biāo)高拼接， 宜錯開300 mm[3]。

（6）多層框架在風(fēng)荷載作用下的頂點(diǎn)水平位移與總高度之比值不宜大于1/300，層間相對位移與層高之比值不宜大于1/250[3]。

（7）支承設(shè)備的梁應(yīng)設(shè)置與其剛接的平臺次梁或其它可靠的抗扭措施，次梁應(yīng)靠近支座但應(yīng)錯開支座加勁肋[3]。

5 結(jié)束語

對于石油化工框架的設(shè)計，應(yīng)在遵循相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，深刻理解規(guī)范的規(guī)定和條文的注釋，從本質(zhì)上把握設(shè)計的原則，靈活的掌握建模，計算的技巧，從宏觀、微觀上做全面的把握，在保證安全的前提下，努力探索、創(chuàng)新更為合理、與其它專業(yè)和諧、協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，也使得設(shè)計結(jié)果更加便利施工，力求達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的目的，這也是每一個結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)追求的目標(biāo)和職責(zé)所在。

［1］ GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]．

［2］ SH/T3066-2005石油化工反應(yīng)器再生器框架設(shè)計規(guī)范[S]．

［3］ SH/T3077-2012石油化工鋼結(jié)構(gòu)冷換框架設(shè)計規(guī)范[S]．

Structural Arrangement and Design Methods of Framework in Petrochemical Industry

NI Guang，XV Xiao-qiang
（HQCEC Liaoning Company, Liaoning Fushun 113006，China）

In order to analyze and calculate the framework in petrochemical industry, selection of structure materials was discussed; Attention should be given to the layout of the columns and bracings in the layout of the structure; Different calculation and requirements were given according to different settings of bracings in the design of the structure. The requirements of calculation, the provisions and detailing requirements of frameworks were also given. At last, the structural layout of common frameworks and the idea of design in petrochemical industry were discussed.

Petrochemical industry; Framework; Column bracing

TE 624

： A

1671-0460（2015）01-0181-03

2014-12-10

倪光（1984-），男，江蘇宿遷人，工程師，2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院土木工程專業(yè)，目前從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。E-mail：niguang@hqcec.com。