石油化工管廊鋼結(jié)構(gòu)桁架的選型

董海印，楊耀森

（中國(guó)寰球工程公司遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

石油化工管廊鋼結(jié)構(gòu)桁架的選型

董海印，楊耀森

（中國(guó)寰球工程公司遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

鋼結(jié)構(gòu)桁架在石油化工管廊中會(huì)經(jīng)常被用到，目前常用的鋼結(jié)構(gòu)桁架形式為平行弦桁架。平行弦桁架根據(jù)腹桿布置方式的不同又可以細(xì)分為以下幾種：?jiǎn)涡笔借旒?、人字形桁架、無(wú)豎桿式桁架。以工程實(shí)例作為分析對(duì)象，通過(guò)PKPM建模分析計(jì)算對(duì)三種平行弦桁架的經(jīng)濟(jì)性、內(nèi)力和變形進(jìn)行了對(duì)比，通過(guò)對(duì)比得出：在常規(guī)荷載下無(wú)豎桿式桁架經(jīng)濟(jì)性、抵抗變形能力和承載力均比較突出，但是超靜定次數(shù)較少安全富余度相對(duì)較少，在具體工程中可以通過(guò)加大關(guān)鍵部位的截面予以解決。

石油化工；鋼結(jié)構(gòu)桁架；平行弦桁架；腹桿的布置方式；選型

石油化工行業(yè)中管廊是石油化工廠的組成部分，起到連接各裝置或設(shè)施的作用，在化工廠中分布非常廣泛[1]，主要承載著各種管道和儀表槽盒、電氣槽盒以及檢修通道。當(dāng)管廊跨越道路和各種“障礙物”時(shí)，跨度會(huì)比較大，為滿足使用要求桁架結(jié)構(gòu)就會(huì)成為一種首選的結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)桁架（如圖 1）由于其施工的便捷性、改造的方便性等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工行業(yè)中被廣泛的采用。本文將對(duì)桁架的受力特點(diǎn)和石油化工行業(yè)中各種鋼結(jié)構(gòu)桁架的選型進(jìn)行探討，對(duì)比各種鋼結(jié)構(gòu)桁架的優(yōu)缺點(diǎn)，為以后的設(shè)計(jì)工作提供相應(yīng)的參考。

1 桁架的力學(xué)分析

桁架結(jié)構(gòu)中的桁架指的其實(shí)是桁架梁是格構(gòu)化的一種梁式結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)形式下各桿件受力均以單向軸向力為主，通過(guò)對(duì)上、下弦桿和腹桿的合理布置使結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎矩和剪力合理分布。由于水平方向的拉、壓內(nèi)力實(shí)現(xiàn)了自身平衡，所以整個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)支座不會(huì)產(chǎn)生水平推力。

圖1 石油化工鋼結(jié)構(gòu)桁架Fig.1 Steel truss in petrochemical industry

桁架梁和實(shí)腹梁（即一般所見(jiàn)的梁）相比，在抗彎方面，由于將受拉與受壓的截面布置在上下兩端，增大了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力臂使得以同樣的材料用量，實(shí)現(xiàn)了更大的抗彎強(qiáng)度。在抗剪方面，通過(guò)合理布置腹桿，能夠?qū)⒓袅χ鸩絺鬟f給支座。這樣無(wú)論是抗彎還是抗剪，桁架結(jié)構(gòu)都能夠使材料強(qiáng)度得到充分發(fā)揮。

2 石油化工鋼結(jié)構(gòu)桁架分類

常用的鋼結(jié)構(gòu)桁架根據(jù)外形來(lái)劃分主要包括平行弦桁架、折弦桁架、三角形桁架，結(jié)合化工行業(yè)管廊荷載相對(duì)穩(wěn)定并考慮施工方便性，根據(jù)作者實(shí)地的走訪調(diào)查，目前石油化工行業(yè)中主要采用平行弦桁架。平行弦桁架顧名思義其上下弦桿為平行布置的狀態(tài)，從外觀上看更像是一種等截面的格構(gòu)式梁，平行弦桁架根據(jù)腹桿的布置形式又可以細(xì)分為單斜式桁架、人字形桁架、無(wú)豎桿式桁架（如圖2所示）。各種桁架由于其腹桿布置的不同，在相同荷載條件下其經(jīng)濟(jì)性、內(nèi)力分布及變形也是有很大的差別，本文將著重對(duì)上述三種平行弦桁架展開(kāi)討論。

圖2 腹桿布置方式Fig.2 Web members arrangement

3 平行弦桁架實(shí)例分析

3.1 計(jì)算實(shí)例

下面將根據(jù)實(shí)際工程在常規(guī)生產(chǎn)條件最大荷載布置的情況下對(duì)各種形式的平行弦桁架進(jìn)行安全性、經(jīng)濟(jì)型和適用性分析[2]。結(jié)合工程實(shí)際，通過(guò)計(jì)算分析得出各種桁架的優(yōu)缺點(diǎn)，找出在常規(guī)使用情況下最合理的平行弦桁架形式。

以山東利華益8萬(wàn)t/a乙苯苯乙烯系統(tǒng)管帶桁架為例：桁架跨度30 m，柱間距為6 m，基本風(fēng)壓為0.53 kPa/m2，地震烈度為7度，加速度為0.15 g，特征周期0.4 s。為保證桁架的通用性及可改造性，荷載計(jì)算時(shí)按照滿鋪φ300 mm×10 mm的充水管線考慮，每米寬度平均鋪設(shè)2.5根，6 m寬的橫梁上共鋪設(shè)15根300 mm管線， 作用在橫梁上的荷載按照均布荷載考慮。橫梁間距按照通常做法：每3 m設(shè)置一道，計(jì)算后每個(gè)間隔3 m的橫梁承受的荷載為11.25 kN/m，橫梁傳給桁架弦桿的節(jié)點(diǎn)荷載為33.75 kN，本例按照桁架高度2.1 m進(jìn)行計(jì)算。以此實(shí)例為基礎(chǔ)按照相同的荷載條件，相同的截面形式，借助PKPM計(jì)算軟件把三種平行弦桁架的用料情況、內(nèi)力結(jié)果和變形情況進(jìn)行對(duì)比，得出各種桁架的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.2 內(nèi)力分析

在上面的條件下經(jīng)過(guò)PKPM計(jì)算得出各種桁架的內(nèi)力結(jié)果如圖3所示。

圖3 應(yīng)力簡(jiǎn)圖Fig.3 Stress

通過(guò)內(nèi)力對(duì)比可以看出在相同條件下各種架內(nèi)力差別不大，三種桁架的內(nèi)力分布均有如下特點(diǎn)：端部腹桿內(nèi)力較大，越接近中部腹桿內(nèi)力越小；上下弦桿的內(nèi)力變化與此相反，越接近中部弦桿內(nèi)力越大。同時(shí)可以看出人字形桁架和單式桁架用料相同，無(wú)豎桿式桁架的用料相對(duì)較少（省掉了豎桿部分） 。單純從承載能力和經(jīng)濟(jì)性方面考慮無(wú)豎桿式桁架在這幾種桁架中為優(yōu)選方案。

3.3 變形分析

下面從變形情況對(duì)幾種桁架進(jìn)行對(duì)比，由于桁架承受水平力較小，本文僅把桁架節(jié)點(diǎn)的豎向位移作為對(duì)比指標(biāo)。同樣采用PKPM的計(jì)算結(jié)果（如圖4所示）。

圖4 變形簡(jiǎn)圖Fig.4 Deformation

通過(guò)對(duì)比可以看出在相同條件下人字形桁架和無(wú)豎桿式桁架的節(jié)點(diǎn)位移基本一致，均小于單斜式桁架的節(jié)點(diǎn)位移。從變形和經(jīng)濟(jì)性方面考慮無(wú)豎桿式桁架在這幾種桁架中為優(yōu)選方案。

3.4 對(duì)比分析

通過(guò)3.2節(jié)及3.3的對(duì)比不難得出在相同的條件下無(wú)豎桿式平行弦桁架在受力、變形、經(jīng)濟(jì)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是由于本次的計(jì)算結(jié)果都是通過(guò)PKPM計(jì)算軟件進(jìn)行得出的，所有的桿件都是按照理想狀態(tài)下單純的拉、壓構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算的，而實(shí)際情況下受施工精度和桁架受力變形的影響節(jié)點(diǎn)處可能會(huì)出現(xiàn)彎矩導(dǎo)致桁架桿件不再是單純的拉、壓桿件[3]。此時(shí)豎桿的設(shè)置就可以增加節(jié)點(diǎn)的超靜定次數(shù)，保證桁架某些桿件發(fā)生破壞時(shí)依舊能保持為幾何不變體系，為桁架增加一道保障，提高了整個(gè)桁架的安全系數(shù)。無(wú)豎桿式桁架由于缺少豎桿就會(huì)在安全富余度上有所欠缺。

針對(duì)無(wú)豎桿式平行弦桁架的這種欠缺，同時(shí)考慮到實(shí)際使用過(guò)程中有些桿件可能會(huì)遭到意外的破壞，我們通過(guò)計(jì)算軟件考慮了平行弦桁架部分根桿件斷裂時(shí)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響[4]。通過(guò)計(jì)算得出在當(dāng)平行弦桁架中部的某根斜腹桿或者上下弦桿遭到破壞時(shí)會(huì)對(duì)臨近的構(gòu)件產(chǎn)生比較大的影響，所以在對(duì)無(wú)豎桿式桁架進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮對(duì)上述部位進(jìn)行截面上的加強(qiáng)，使安全性和經(jīng)濟(jì)性都能很好的滿足使用要求。

4 結(jié) 論

通過(guò)本文的分析得知：在相同的荷載情況下無(wú)豎桿式桁架的經(jīng)濟(jì)性和防止變形能力都比較突出，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮，但是由于缺少豎桿安全系數(shù)沒(méi)有人字形桁架高。但是在荷載相對(duì)固定，工況簡(jiǎn)單的情況下可以考慮采取這種形式的桁架，同時(shí)應(yīng)該適當(dāng)提高端部斜腹桿和中部上下弦桿的富余量以增加整個(gè)桁架的安全度。

人字形桁架的綜合性能比較突出，豎桿內(nèi)力較小在進(jìn)行桿件配置時(shí)可以適當(dāng)減少其截面，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的。斜腹桿受力為拉、壓桿交替分布設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)其內(nèi)力大小和穩(wěn)定性要求進(jìn)行截面配置。

單斜式桁架從經(jīng)濟(jì)性和變形上考慮在這三種桁架形式中均比較差同時(shí)承載力也很一般，不作為推薦的結(jié)構(gòu)形式。

［1］ 李楊,候麗薇.淺論化工管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].甘肅科技，2013,29(12)∶102-104.

［2］ 孟馨.縱梁式及桁架式管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析[J].乙烯工業(yè),2009,21.

［3］ 孫煥純,王躍方,劉春良.桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的幾何非線性歐拉穩(wěn)定理論[J]. 計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2007,24（4）∶539-543．

［4］ 水培君,古育平. 石化主管廊鋼結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)[J]. 化工設(shè)計(jì), 2012, 22 (3)∶ 37-43.

Type Selection of the Steel Truss in Petrochemical Industry

DONG Hai-yin，YANG Yao-sen
（HQC Liaoning Company，Liaoning Fushun 113006 , China）

The steel truss is often used in petrochemical industry; the current common truss structure is parallel chord truss. According to the different arrangement of their web members, parallel chord truss can be divided into many forms, mainly including: monoclinic type, chevron type and the truss without vertical web member. In this paper, taking an actual project as an example, PKMP was used to calculate and make a contrast on economy, internal stress and deformation of three kinds of parallel chord trusses. The results show that, under the common load condition, the truss without vertical web member has more advantages on economy, internal stress and deformation, but its safety margin is small, we can solve the problem by increasing the section dimension of key parts.

Petrochemical industry; Steel truss; Parallel chord truss; Arrangement of web members; Type selection

TE 832

A

1671-0460（2015）09-2190-03

2015-06-28

董海?。?985-），男，遼寧撫順人，工程師，2008畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東） 土木工程專業(yè)，研究方向：石油化工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail：donghaiyin@hqcec.com，Tel：024-31957620。