海外工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的若干問題

嚴(yán) 峰

(中石化上海工程有限公司，上海 200120)

海外工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的若干問題

嚴(yán) 峰

(中石化上海工程有限公司，上海 200120)

基于海外總承包項目實踐經(jīng)驗，對國內(nèi)外工程標(biāo)準(zhǔn)體系、地基基礎(chǔ)、抗震設(shè)計、節(jié)點設(shè)計的設(shè)計理念差異進行了對比分析，探討了海外工程設(shè)計中的注意事項，為類似工程的施工提供參考依據(jù)。

海外工程，工程標(biāo)準(zhǔn)，地基基礎(chǔ)，抗震，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的深入進展，中國公司越來越多的走出國門參與海外的石油化工工程建設(shè)。海外石油化工建設(shè)項目的設(shè)計工作逐漸由中外合作過渡到國內(nèi)公司獨立擔(dān)當(dāng)。海外工程設(shè)計與國內(nèi)工程相比，考慮問題的角度具有非常巨大的差異。

本文主要結(jié)合筆者負(fù)責(zé)的沙特總承包項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，從不同的視角做一些總結(jié)，以期拋磚引玉。

1 工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系

1.1 美國工程標(biāo)準(zhǔn)

海外項目絕大多數(shù)的業(yè)主認(rèn)可美國規(guī)范，美國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范體系除了國內(nèi)比較熟知的International Building Code,IBC；Minimum Design Loads for Buildings and other Structures，ASCE 7；Building Code Requirements for Structural Concrete,ACI 318以及Specification for Structural Steel Buildings AISC 360以外，下面幾套標(biāo)準(zhǔn)也是海外工程設(shè)計和施工必須執(zhí)行和掌握的:

1)美國材料與試驗協(xié)會編制的有關(guān)混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等材料性能標(biāo)準(zhǔn)以及巖土分類和試驗標(biāo)準(zhǔn)。

2)美國焊接協(xié)會編寫的鋼結(jié)構(gòu)焊接的設(shè)計、施工檢驗的標(biāo)準(zhǔn) Structural Welding Code-Steel AWS D1.1。

3)流程工程實踐學(xué)會編寫的PIP系列準(zhǔn)則。其中，標(biāo)準(zhǔn)圖PIP STF05501 Fixed Ladders and Cages和PIP STF05520 Details for Pipe Railing for Walking and Working Surfaces是海外工業(yè)裝置中欄桿和直爬梯的通行標(biāo)準(zhǔn)。

4)美國土木工程師協(xié)會針對化工裝置的敞開結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載設(shè)計以及抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計做出規(guī)定， Wind Loads for Petrochemical and Other Industrial Facilities和 Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities。

1.2 沙特標(biāo)準(zhǔn)

沙特阿拉伯地區(qū)工程標(biāo)準(zhǔn)可以分為三個層面，政府層面工程建設(shè)規(guī)定主要是皇家委員會工程指南和環(huán)境準(zhǔn)則；內(nèi)政部工業(yè)安全高級委員會制定的工業(yè)企業(yè)安全和防火指導(dǎo)意見等。企業(yè)層面的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)通常是項目實施主要依據(jù)，具有很高的權(quán)威性，以沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司為例(Saudi Basic Industries Corporation，簡稱SABIC，世界領(lǐng)先的石化公司之一)，其主要為SES標(biāo)準(zhǔn)(SABIC Engineering Standards)。底層標(biāo)準(zhǔn)是項目的統(tǒng)一規(guī)定和執(zhí)行計劃等規(guī)定。SABIC企業(yè)工程標(biāo)準(zhǔn)主要以美國規(guī)范為模板編制，覆蓋設(shè)計、施工、采購和驗收等工程建設(shè)的每個層面，其中僅土建和結(jié)構(gòu)專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)圖合計達一百多項，可見其規(guī)定細(xì)致全面。SES企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)較少引用美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對于主要的內(nèi)容均做了直接摘錄列項，并附上大量的工程標(biāo)準(zhǔn)圖和構(gòu)造做法規(guī)定，能夠形成較為完整的一套獨立標(biāo)準(zhǔn)體系。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行

長期以來，我國工程建設(shè)中土建專業(yè)均以規(guī)范為主導(dǎo)，一切以符合強制性規(guī)范和強制性條文為核心的設(shè)計理念，對企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、項目統(tǒng)一規(guī)定往往研究不透徹重視不足。在海外項目特別是類似沙特SABIC項目中，對這種慣性思維提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。沙特的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)主要由企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為主導(dǎo)，我們的設(shè)計理念中不能把SABIC的工程標(biāo)準(zhǔn)等同于執(zhí)行美國工程標(biāo)準(zhǔn)。整個項目的設(shè)計，采購和施工都需要優(yōu)先執(zhí)行SABIC企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，僅當(dāng)沒有具體規(guī)定時或者其明確參見相關(guān)規(guī)范時才參照執(zhí)行其他美國的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)肅性差異也是我們中方企業(yè)在海外項目面臨的普遍問題。對規(guī)范特別是標(biāo)準(zhǔn)圖等的尊重和幾乎機械的執(zhí)行讓我們的工程設(shè)計人員和施工管理人員不適應(yīng)。我國通常情況標(biāo)準(zhǔn)圖不屬于強制性規(guī)范范疇，主要是一種推薦性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。在沙特企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)準(zhǔn)圖在數(shù)量上占有不少比重，在執(zhí)行力上等同于企業(yè)的強制標(biāo)準(zhǔn)。企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)圖較多的涉及施工方面的各種構(gòu)造和做法，這些做法往往和國內(nèi)的習(xí)慣做法有較多差異，因此需要我們的設(shè)計和施工管理人員熟悉這些標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。一旦不按圖施工盲目追趕進度往往適得其反，耗費大量人力物力返工，欲速而不達。

2 地基基礎(chǔ)設(shè)計

現(xiàn)行我國規(guī)范對地基承載力驗算時采用正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，計算地基變形時采用正常使用極限狀態(tài)下準(zhǔn)永久組合。目前世界各國的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范較多采用極限狀態(tài)的設(shè)計方法，但由于巖土工程的不確定因素較多，變異性過大，因此很多國家的規(guī)范延續(xù)采用傳統(tǒng)的容許應(yīng)力設(shè)計方法。我國規(guī)范把地基承載力和地基沉降變形驗算分兩步進行，美國包括沙特地區(qū)通常將地基承載力和沉降變形控制合二為一歸并為地基容許承載力。地基容許承載力按以下兩者的小值取用[1，2]：

1)沉降控制的地基容許承載力，對獨立基礎(chǔ)或者條形基礎(chǔ)控制總沉降25 mm，對筏板基礎(chǔ)控制總沉降50 mm。

2)強度控制的地基容許承載力，通?？紤]2倍的安全系數(shù)。

我國規(guī)范在進行地基承載力基礎(chǔ)寬度修正時，隨著寬度的增加，地基承載力相應(yīng)提高，但在國外標(biāo)準(zhǔn)中，由于綜合考慮了沉降限值，主要表現(xiàn)為隨著基礎(chǔ)寬度的增加地基容許承載力不是增加反而是逐漸下降的。因此在使用國外的地勘報告時，應(yīng)注意其給出的地基容許承載力對應(yīng)的寬度信息，不宜簡單拓展推算。與國內(nèi)地基承載力做深度修正不同，國外的地質(zhì)勘探報告通常給出是容許承載力凈值即Net Allowable Bearing Pressure，凈值表示不包括基礎(chǔ)底面以上的土體重量，因此無需再進行任何埋深修正，也無需考慮覆土的重量。

我國地基基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定當(dāng)偏心荷載作用時，基礎(chǔ)邊緣的地基承載力特征值允許提高20%。在IBC-2006表1804.2注解中明確，只有在風(fēng)荷載或者地震效應(yīng)瞬荷載作用時才允許提高承載力33%，其他情況下不能提高地基容許承載力[3]。因此對應(yīng)于長期作用的偏心荷載，國外規(guī)范較我國標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。

3 抗震設(shè)計

美國規(guī)范主要基于彈塑性反應(yīng)譜的R—μ關(guān)系理論，考慮不同的結(jié)構(gòu)類型的設(shè)計延性，即延性系數(shù)μ，對彈性計算地震作用乘以相應(yīng)的地震影響系數(shù)R進行折減，得到設(shè)計荷載[4-7]。美國規(guī)范對同一的結(jié)構(gòu)類型設(shè)定了不同的延性等級，Ordinary，Intermediate，Special，分別對應(yīng)低、中和高延性等級。隨著延性依次遞增，相應(yīng)的延性系數(shù)μ提高，地震作用折減系數(shù)也隨之增加，設(shè)計地震作用依次降低。相比之下我國的現(xiàn)行抗震規(guī)范對地震作用降低系數(shù)Rμ的取值即地震荷載效應(yīng)是保持不變，主要是隨著抗震設(shè)防烈度的變化而調(diào)整特定抗震措施嚴(yán)格程度。

我國抗震規(guī)范規(guī)定，6度及以上抗震設(shè)防烈度均需執(zhí)行抗震設(shè)防[8]。由于我國大部分地區(qū)均處于地震區(qū)，因此幾乎全部的建筑物均需滿足抗震的構(gòu)造措施。根據(jù)美國規(guī)范，對應(yīng)延性等級Ordinary的是不需要考慮抗震構(gòu)造，僅需按普通規(guī)定執(zhí)行即可。ACI 318的抗震篇“Special Provisions for Seismic Design”和AISC 341“Seismic Provisions for Structural Steel Buildings”均針對中等及以上延性等級所作的特別規(guī)定。

沙特地區(qū)地震烈度較低，相當(dāng)于國內(nèi)6度抗震設(shè)防，而風(fēng)荷載比較大，折算為國內(nèi)的基本風(fēng)壓可以達到1 kN/m2左右，按美國規(guī)范，即使按低延性框架對應(yīng)的地震效應(yīng)依然比較小，大部分結(jié)構(gòu)主要以風(fēng)荷載為控制工況。據(jù)此，在設(shè)計中無需考慮抗震特別的構(gòu)造措施，混凝土框架箍筋無塑性鉸加密區(qū)域，箍筋可以采用開口直鉤形式，鋼結(jié)構(gòu)受壓構(gòu)件細(xì)長比可以大幅突破120等。這些我們看似習(xí)以為常的構(gòu)造，往往涉及施工的便捷性和工程設(shè)計的經(jīng)濟性等多方面。國外工程有著鮮明的地域特點，需要我們準(zhǔn)確的把握規(guī)范的精神，合法合規(guī)提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的精確性，進而為項目控制成本提高效益打下基礎(chǔ)。

4 節(jié)點設(shè)計

國內(nèi)常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點主要是兩元法，剛接和鉸接。梁柱剛接連接節(jié)點較多采用上下翼緣坡口焊接，腹板高強螺栓的栓焊混合連接形式，或者是帶懸臂段的全螺栓拼接節(jié)點。海外工程高空焊接無論是施工進度、安全還是質(zhì)量控制都面臨比較大的風(fēng)險，以SABIC標(biāo)準(zhǔn)為例，鋼結(jié)構(gòu)連接通常不允許現(xiàn)場焊接，因此端板式梁柱連接節(jié)點在當(dāng)?shù)貞?yīng)用非常普遍。

國內(nèi)常規(guī)的設(shè)計流程是先進行整體結(jié)構(gòu)計算，確定各構(gòu)件斷面，最后再套用鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的通用圖。鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點有比較成熟的做法和節(jié)點圖集，無需設(shè)計人員逐一驗算選擇。在這個流程中，隱含做了一個假定，即連接節(jié)點是能夠達到等強的特別是抗彎等強連接。在石油化工工程中，無論是設(shè)備的操作荷載還是樓板的均布荷載均非常大，框架梁柱連接部位特別是剛接節(jié)點往往是彎矩和剪力都最大的部位。端板式節(jié)點在這種荷載效應(yīng)下節(jié)點螺栓設(shè)計非常困難，容易成為后期節(jié)點選用和設(shè)計的瓶頸。因此在海外項目鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要打破這種習(xí)慣思維，把鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點問題在設(shè)計過程中予以解決，避免把困難留到最后。通過對梁柱連接節(jié)點設(shè)置彈簧剛度，對梁柱剛接節(jié)點適當(dāng)釋放抗彎剛度。梁柱連接剛度釋放，其核心理念與結(jié)構(gòu)的塑性設(shè)計一脈相承，通過降低端部的支座負(fù)彎矩，增加跨中正彎矩，既有利于材料強度的充分發(fā)揮，又可以進一步簡化節(jié)點設(shè)計。

5 結(jié)語

國內(nèi)外工程，結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理是相通的相似的，公式也是似曾相識。設(shè)計人員往往對國內(nèi)的規(guī)范特別是強制性條文耳熟能詳，容易形成思維定式，實踐表明一些國內(nèi)的習(xí)以為常的理念和手法并不完全適用于海外項目。我們需要改變固有的慣性思維模式，真正融入到國際工程之列。

[1] GB 50007—2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] Joseph E. Bowles. Foundation Analysis and Design[M].Fifth Edition.

[3] IBC. International Building Code[S].

[4] ASCE.Minimum Design Loads for Buildings and other Structures[S].

[5] ASCE.Building Code Requirements for Structural Concrete[S].

[6] AISC.Specification Structural Steel[S].

[7] AISC.Seismic Provisions for Structural Steel Buildings [S].

[8] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

Research on several issues about design of international turnkey engineering structures

Yan Feng

(SINOPECShanghaiEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200120，China)

Based on practical overseas general contracting project experience, the paper compares and analyzes design concept differences of engineering criteria system, foundation base, seismic resistance design and joint design at home and abroad, and explores matters needing attention in overseas engineering design, which has provided some guidance for similar engineering construction.

overseas engineering, engineering criteria, foundation base, seismic resistance, steel structure joint

1009-6825(2015)32-0030-02

2015-08-20

嚴(yán) 峰(1972- )，男，高級工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師

TU318

A