石化裝置中塔形設(shè)備樓梯間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)

陳雨

摘 要 本文結(jié)合工程實(shí)例，利用有效數(shù)據(jù)資料，對(duì)塔形設(shè)備樓梯間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、構(gòu)造要求做了簡(jiǎn)要介紹，并分析如何從結(jié)構(gòu)選型和改變節(jié)點(diǎn)形式上避免因設(shè)備受熱膨脹而給樓梯間結(jié)構(gòu)帶來的不利影響，并闡述不同做法的利弊和適用條件。

關(guān)鍵詞 樓梯間；熱膨脹；滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào) TU3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）161-0163-02

石化行業(yè)常減壓裝置中往往要設(shè)立常壓和減壓兩個(gè)立式塔形設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱“塔”），對(duì)流經(jīng)的原油進(jìn)行蒸餾。顧名思義，兩設(shè)備酷似尖塔，外形瘦高，塔頂往往能達(dá)到五、六十米甚至更高，如此高度，則需要在旁設(shè)立一幢幾乎等高的樓梯間，方便人員進(jìn)入各層平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作、檢修。

因常、減壓塔剛度相對(duì)較大，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常將樓梯間用連梁與塔進(jìn)行多層的連接，形成以小傍大的結(jié)構(gòu)形式，確保樓梯間結(jié)構(gòu)的柱頂位移和在風(fēng)、地震等工況作用下的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。但在正常操作的工況下，塔內(nèi)進(jìn)行的是原油蒸餾工藝，溫度很高，而停產(chǎn)檢修時(shí)，內(nèi)部又回歸了常溫常壓，如此的溫度往復(fù)促使塔體（碳鋼材質(zhì)）形成不同程度的膨脹和收縮，這種變形勢(shì)必會(huì)影響與其連接的樓梯間，現(xiàn)結(jié)合某工程實(shí)例，對(duì)上述問題做一簡(jiǎn)單介紹和探討。

1 工程概況

1）本例為某工程項(xiàng)目減壓塔樓梯間，減壓塔頂標(biāo)高為57.2m，樓梯間設(shè)計(jì)總高度為49.6m，采用鋼結(jié)構(gòu)，樓梯間鋼柱截面為焊接H型鋼H450×400×16×25。

2）自然條件：基本風(fēng)壓0.60kN/m2，地面粗糙度類別A類。抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)地震分組第二組，場(chǎng)地類別Ⅱ類。

2 結(jié)構(gòu)方案

方案一：獨(dú)立樓梯間結(jié)構(gòu)。

優(yōu)點(diǎn)：可不與塔器鏈接，避免變形；

缺點(diǎn)：占地面積大，用鋼量大。

方案二：與塔鏈接的結(jié)構(gòu)方案。

優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省空間，用鋼量??；

缺點(diǎn)：與設(shè)備鏈接，需考慮變形帶來的影響。

起初在結(jié)構(gòu)選型時(shí)曾考慮將樓梯間做成由四根鋼柱組成的獨(dú)立框架結(jié)構(gòu)（圖1），這種方案，無需與塔體有任何連接，雖然從根本上避免了與塔體共同變形的問題，但考慮到結(jié)構(gòu)總高度較高，并且要選用4根鋼柱，假設(shè)采用寬翼緣截面（HW400×400×13×21），柱高49.2m，也就意味著在不計(jì)算梁的前提下，僅鋼柱的用鋼量相對(duì)第二種方案就增加了近17t。

反觀方案二（圖2），采用兩根立柱，強(qiáng)軸方向與剛度相對(duì)較大的塔進(jìn)行連接，并在連接后利用與塔連接的構(gòu)件在平面內(nèi)組成桁架，將另外一個(gè)方向的風(fēng)荷載也有效傳遞至塔體，并節(jié)省了樓梯間結(jié)構(gòu)所占空間。因本例未涉及常壓塔，而當(dāng)常、減壓兩塔因工藝配管布置需要相鄰而立時(shí)，兩塔間的空隙本身就不大，還要設(shè)立一座樓梯間（同時(shí)為兩塔服務(wù)），屆時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)所占空間的要求就更為苛刻。

綜上結(jié)述，采用方案二不僅可以減少用鋼量，并且在荷載的傳遞，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性上又得到了充分的保障，做到了經(jīng)濟(jì)適用的設(shè)計(jì)原則，故在本例中排除了獨(dú)立框架的設(shè)計(jì)思路。

需要注意的是：對(duì)樓梯間結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)計(jì)算和穩(wěn)定性來講，在保證不影響其他專業(yè)的前提下應(yīng)盡可能與塔體設(shè)置更多的連接，這就需要提前做好充分的資料收集和排查，例如，因塔體表面在與樓梯間鏈接的相應(yīng)的位置上可能存在人孔、法蘭接口或設(shè)備平臺(tái)等多種情況，致使該層標(biāo)高無法連接，此時(shí)，應(yīng)積極主動(dòng)與設(shè)備或相關(guān)專業(yè)人員溝通協(xié)商，共同解決問題，如果客觀條件確實(shí)不能保證結(jié)構(gòu)計(jì)算及穩(wěn)定性所需要的基本連接，那么還應(yīng)考慮獨(dú)立框架的結(jié)構(gòu)形式，抑或其他更好的方案，需仔細(xì)斟酌。（本例結(jié)構(gòu)立面布置圖見圖3，除▽44.8m，其余標(biāo)高全部與塔連接）。

3 塔體變形

裝置正常工作時(shí)，減壓塔內(nèi)介質(zhì)溫度基本保持在240℃，塔體由鋼板焊接制成，在受熱后會(huì)產(chǎn)生垂直和水平兩個(gè)方向的膨脹，雖然熱膨脹后的尺寸變化很小，但要阻礙這個(gè)尺寸變化所需要的力是非常大的（因?yàn)殇摬牡膹椥阅Ａ亢艽?，故膨脹時(shí)產(chǎn)生的力也非常大），換言之，如若膨脹受到了約束，就要看約束它的物體的剛度了，反之，它產(chǎn)生的力會(huì)協(xié)調(diào)約束它的物體一起變形。

本案中，假若樓梯間與塔體采用剛性連接，那么塔膨脹時(shí)所受的約束就全部來自樓梯間結(jié)構(gòu)。很顯然樓梯間的剛度小于減壓塔，考慮到它們之間是分層鏈接，在標(biāo)高較低處的膨脹量小一些，力還有可能通過連接兩者之間鋼梁自身的塑性變形來吸收，但在48m標(biāo)高處塔的計(jì)算垂直膨脹量已經(jīng)達(dá)到了144mm，因跨度較小，鋼梁出現(xiàn)塑性變形的限制必定會(huì)超過現(xiàn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中受彎構(gòu)件的撓度容許值，甚至有可能被破壞，所以必然要采取相應(yīng)的手段和措施來解決這一問題。

下表為已知鋼材的彈性模量與熱膨脹系數(shù)計(jì)算得出的不同標(biāo)高的理論膨脹量，計(jì)算假設(shè)未受任何約束，即塔體完全自由膨脹。

4 滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)

既然不能選用剛性連接，最好的方法就是考慮滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)。結(jié)合本案筆者將涉及2種節(jié)點(diǎn)作法：

第一種——長(zhǎng)橢圓孔滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)，詳見圖4，很直觀就可以看出設(shè)計(jì)原理，在與設(shè)備連接的端板上開出一條細(xì)長(zhǎng)的螺栓孔（a值根據(jù)不同標(biāo)高塔體膨脹量的不同而定），當(dāng)塔體膨脹時(shí)，焊接在塔體上的連接端板隨著塔體向上滑動(dòng)，螺栓在長(zhǎng)孔內(nèi)跟著滑動(dòng)，這樣一來，連梁依舊可以保持在原有標(biāo)高不受任何影響，從而保證樓梯間結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。但此種節(jié)點(diǎn)為了保證螺栓可以在孔內(nèi)滑動(dòng)，便不能將其擰死，即假定連梁的受力狀態(tài)接近懸臂，如此一來，就對(duì)連梁的規(guī)格和跨度有了嚴(yán)格要求。本例連梁跨度3.5m，在充分考慮平臺(tái)恒、活荷載的前提下，只能采用大號(hào)鋼梁加三角支撐的辦法，然而三角架必定會(huì)影響通行，故很難做到完全懸臂。（當(dāng)然設(shè)備端螺栓連接處節(jié)點(diǎn)不承受任何剪力也過于理想化，只是計(jì)算過程中不能當(dāng)作有利條件考慮）需要注意的是這種作法節(jié)點(diǎn)板的尺寸及開孔大小會(huì)隨標(biāo)高和膨脹量有所改變，不便施工。讓我們?cè)賮砜纯戳硗庖环N連接方法面是否有更好的解決方案。

第二種——雙圓孔滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)，詳見圖5，這種節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路不同于第一種，它是將連梁的兩端全部做成滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)，而非第一種的一端固定，一端滑動(dòng)的作法。這樣一來，無論設(shè)備正常工作還是檢修狀態(tài)，塔體是否膨脹，它自始自終便處于簡(jiǎn)支狀態(tài)；其原理就是連梁通過兩端螺栓在孔內(nèi)的上下錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)來抵消塔體膨脹時(shí)帶來的變形。經(jīng)過放樣計(jì)算，直徑30mm的螺栓在50mm直徑的螺孔內(nèi)，跨度為3.5m時(shí)，梁靠左右兩端由螺栓錯(cuò)動(dòng)帶來的垂直距差可達(dá)180mm，完全可以抵消本例中44.9m標(biāo)高處產(chǎn)生的理論最大膨脹量144mm，所以本例最終的選擇是雙圓孔作法。相對(duì)第一種做法，它的螺孔形式更簡(jiǎn)單，連接板尺寸也不因?qū)痈撸ㄅ蛎浟看螅┒兴兓?，方便施工?/p>

而實(shí)際兩者的實(shí)質(zhì)區(qū)別在于：

1）梁的計(jì)算受力狀態(tài)，一個(gè)懸臂、一個(gè)簡(jiǎn)支；

2）能夠承受的膨脹量不同：雙圓孔錯(cuò)動(dòng)的距離是根據(jù)梁長(zhǎng)以及螺孔直徑?jīng)Q定的；長(zhǎng)橢圓孔相對(duì)隨意些，可以自由選取開孔的長(zhǎng)度。所以面對(duì)不同情況，做不同選擇，相信也會(huì)有很多其他的節(jié)點(diǎn)做法，有待驗(yàn)證，筆者所涉及的僅此兩種。另外塔體徑向膨脹一般都不大，本例表現(xiàn)10mm左右，所以不做考慮。

5 結(jié)論

樓梯間結(jié)構(gòu)面對(duì)塔體熱膨脹帶來的變形影響，可以通過合理的結(jié)構(gòu)選型和改變節(jié)點(diǎn)方式得到解決?？偨Y(jié)來說，在做設(shè)計(jì)之前，應(yīng)待收集全部資料（設(shè)備的制造圖，配管的平面布置圖，塔體在不同標(biāo)高的膨脹量等）之后，根據(jù)一切有關(guān)的客觀條件，冷靜分析，選擇適用、有效的結(jié)構(gòu)形式和連接節(jié)點(diǎn)的作法。

參考文獻(xiàn)

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[2]石油化工塔形設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 SH/T 3030-2009.