石化裝置中鋼框架-支撐結構設計探討

吳娟英

（ 中石化上海工程有限公司，上海 200120）

石化裝置中鋼框架-支撐結構設計探討

吳娟英

（ 中石化上海工程有限公司，上海 200120）

介紹了石油化工項目中鋼框架的設計思路，結合某石油化工項目中聚合反應框架的結構設計，分析框架-支撐體系的鋼結構構件布置，對工程中常見支撐形式的作用效果進行比較，對常用支撐截面的經(jīng)濟性作了初步探討。

石油化工；鋼框架-支撐結構；柱間支撐；支撐截面

本文結合某石油化工項目中的聚合反應框架，探討大型鋼結構框架-支撐結構體系中如何考慮結構布置與支撐優(yōu)化等相關問題。

1 工程概況

某石油化工項目中的反應框架，該結構下部為混凝土框架結構，上部為鋼構架，采用樁基基礎。該單元長45.25m，寬34m，高44m，最大跨度為9m。兩個主反應器（R-201、R-251）操作重分別為310t、273t，充水重分別為500t、438t，皆坐落在混凝土框架上；鋼結構上較重的設備主要有E-206、E-256，分別為140t、150t。設計參數(shù)為：基本風壓0.57 kN/m2；地面粗糙度為A類；抗震設防烈度為6度（第一組）；設計基本地震加速度為0.05g（g為重力加速度）?？蚣艿娜S結構示意圖見圖1。

2 根據(jù)項目特點進行結構體系分析

反應裝置的鋼框架結構體系一般采用框架-支撐結構體系，鋼柱往往采用H型鋼，鋼柱的強軸與鋼梁剛接；鋼柱的弱軸與鋼梁鉸接，并在弱軸方向設置適當?shù)闹我栽鰪娫摲较虻膭偠?。根?jù)筆者設計經(jīng)驗，弱軸方向設置支撐后的側向剛度將會比強軸方向大，為保證結構平面兩個方向的側向剛度相近，可在強軸方向設置適量的豎向支撐。

豎向支撐宜沿豎向連續(xù)布置。

本工程中8m層的設備布置圖見圖2，兩個較重的反應器設備R-201、R-251分別坐落在04、05軸和05、06軸之間。由于設備操作以及停產(chǎn)時檢修抽芯的空間要求、檢修通道的走向，可將鋼柱的強軸方向設為東西向（指北針參見圖2），03、04軸和06、07軸之間設置柱間支撐，A軸鋼結構立面圖見圖3所示（支撐宜設置在結構兩側，且左右對稱）。

根據(jù)條件限制，反應器以及邊上兩個設備D-201、D-251所在區(qū)域不能設置豎向撐，可將C軸的鋼柱轉90°，即南北向，如圖4所示。同時，C軸與D軸間設置柱間支撐以保證側向剛度要求。

由于生產(chǎn)操作及檢修要求，E軸上不能設置豎向支撐，參見圖5所示，即鋼柱的弱軸方向無豎向支撐，所以該軸無法提供足夠的側向剛度，需進行構造處理，增加該處樓板的水平剛度。而且，根據(jù)本工程特點，該軸線上不存在重型設備，對結構布置有利。為了加強樓層的水平剛度，必須設置水平支撐，參見圖6所示。通過樓面水平撐將E軸框架與兩側D、F軸線的框架連成整體，有效傳遞水平荷載[3]。

11月29日，由北京釀酒協(xié)會、天津市釀酒工業(yè)協(xié)會、河北省白酒葡萄酒工業(yè)協(xié)會與《中國酒業(yè)》雜志、中國釀酒網(wǎng)聯(lián)合舉辦的“2018中國酒業(yè)京津冀一體化品牌發(fā)展高峰論壇”在北京西國貿(mào)大酒店隆重召開。本次活動得到了中國質量萬里行促進會、中國酒業(yè)協(xié)會、中國食品工業(yè)協(xié)會、中國酒類流通協(xié)會、世界中餐業(yè)聯(lián)合會等行業(yè)組織的大力支持。

圖1 聚合反應框架三維結構Fig.1 3D structure model of polymerization reaction

圖2 設備布置Fig.2 Equipment layout

圖3 A軸結構立面布置Fig.3 A-axis structure elevation layout

圖4 C軸結構立面布置Fig.4 C-axis structure elevation layout

2.1 支撐分析及截面的比選

框架-支撐結構體系中，三、四級且高度不大于50m的鋼結構宜采用中心支撐，也可采用偏心支撐；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[4]。

2.1.1 支撐形式分析

本工程中由于設備及管道布置復雜，對豎向支撐的布置及形式有一定的限制。根據(jù)該工程的特點，豎向支撐布置形式有如下幾種，見圖7。

假定圖7中梁、柱、支撐構件都選用相同尺寸（梁HN200，支撐L100×10），作用相同的水平荷載，計算得到的結果如表1所示（數(shù)值無實際意義，僅供對比分析）。形式②、③的水平剛度最大，形式⑦水平剛度最小。

由于圖7中的構件間距及尺寸的限定，支撐的角度不盡相同，結構概念分析中形式①往往是水平剛度最大的形式，但是由于支撐角度為32.0°，未完全發(fā)揮水平剛度增強的作用，而形式②、③的支撐角度為51.3°，支撐的水平剛度增強作用更為明顯。

形式②、③的豎向支撐在彈性變形范圍內(nèi)受力及變形情況基本相同，此時形式③的豎向拉鏈柱基本不發(fā)揮作用。但是，在中震或大震作用下，人字支撐的受壓腹桿可能受壓屈曲，承載力迅速下降甚至失效，導致橫梁在支撐處出現(xiàn)不平衡作用力，可能引起橫梁破壞[5]。常規(guī)的做法是設置形式③中的拉鏈柱，這樣可以避免受壓支撐屈曲后的不平衡力產(chǎn)生的不利影響。

由計算結果可得，形式①、②、③、⑥的支撐效果最佳；形式⑤的支撐效果相對較好，但是支撐所受到的軸力較大，需選用截面較大的支撐；形式④、⑦往往是由于工藝空間要求的限制，所衍生出來的支撐形式，提供的水平剛度較弱，設計中應特別注意。

圖5 E軸結構立面布置Fig.5 E-axis structure elevation layout

圖6 樓面水平支撐Fig.6 Floor horizontal brace diagram

2.1.2 支撐豎向布置分析

石化項目中，由于設備及管道的空間要求，在有些情況下豎向支撐設置部位不能設置連續(xù)的豎向支撐，見圖8所示。圖中③～⑥所示為第二層結構層不能設置連續(xù)豎向支撐時的常用布置形式。

假定圖8中梁、柱、支撐構件都選用相同尺寸（梁HN200，支撐L100×10），梁柱剛性連接，作用相同的水平荷載，計算得到的結果如表2所示（數(shù)值無實際意義，僅供對比分析）。形式⑥的水平剛度最大，形式②水平剛度最小。

圖8 豎向支撐布置Fig.8 Vertical brace layout diagram

表2 支撐豎向布置受力分析結果Tab.2 Results of different arrangements of vertical brace

形式②為不設支撐的情況，水平位移非常大，不應采用此支撐形式。形式①為豎向支撐連續(xù)布置的情況，水平位移相對較小，支撐受力均勻，結構體系受力明確，邊跨的梁柱受力合理。

形式③、④中二層支撐的軸力最大，引起與支撐相連的梁柱的內(nèi)力增大，需局部重點加強。

形式⑤、⑥中的水平位移最小，支撐所受軸力相對較小，與支撐相連的梁柱的內(nèi)力增加量較小，其中形式⑥的受力體系比較明確，傳力連續(xù)，水平剛度強。

2.1.3 支撐截面經(jīng)濟性分析

鋼結構的特點是自重輕，強度高，但是剛度相對較弱，所以需要設置適當?shù)乃?、豎向支撐以提供足夠的剛度。支撐一般是兩端鉸接的構件，理論上只受軸向力作用，處于受拉或者受壓狀態(tài)。

可見，圓鋼管截面形狀的支撐經(jīng)濟指標最好，能用較少的鋼材提供更強的承載力，T型鋼支撐的經(jīng)濟指標次之。需要指出的是，由于圓鋼管支撐的節(jié)點形式較為復雜，制作成本相對其它幾種截面形狀來說更高，因此建議根據(jù)項目中鋼支撐節(jié)點的復雜程度以及鋼結構制作公司的制作成本綜合考慮，確定合理的截面形狀。

2.2 節(jié)點構造

石油化工反應裝置的特點是底部是混凝土結構，上部是鋼構架，在設計過程中可以利用這個特點進行結構優(yōu)化。

在底部鋼支撐節(jié)點處，如圖8所示，如支撐處于受壓狀態(tài)，將在節(jié)點處產(chǎn)生兩個分力：水平力和豎向力。當鋼支撐與鋼柱相連接，由于安裝地腳螺栓的空間要求，一般支撐設置在距柱腳300mm的位置，此時柱腳底端的鋼柱將受到支撐傳遞的荷載，不利于鋼柱截面的設計。所以，圖9中鋼支撐設置在混凝土的柱墩處，支撐傳遞的荷載由混凝土柱墩承受，鋼柱僅承受上層結構傳遞的荷載，更有利于鋼柱截面的優(yōu)化。

2.3 設計控制指標

在本文討論的項目工程中鋼柱最大截面為組合截面H400×400×18×28，材質為Q345B，結構自振周期為1.05s，最大彈性層間位移角為1/596，滿足多、高層鋼結構彈性位移角限值1/250[4]。

表3 支撐截面形狀分析[6]Tab.3 Analysis of bracesection shape

圖9 鋼構架底部支撐節(jié)點Fig.9 Diagram of bracejoint of steel frames and concrete construction

3 結論與建議

（1）對于石油化工鋼框架的設計，應在充分理解并嚴格遵守相關設計規(guī)范規(guī)定及條文說明的基礎上，針對項目自身特點，靈活布置，在保證安全的前提下，滿足工藝等相關專業(yè)的要求。

（2）鋼結構樓層宜設置水平支撐，以增強水平剛度，有效傳遞水平荷載。

（3）豎向支撐形式可靈活布置，文中形式①、②、③、⑥的支撐效果最佳；由于工藝空間要求的限制，支撐布置只能采用形式④或⑦，此時提供的水平剛度較弱，設計中應特別注意。

（4）從力學性能上分析，圓鋼管截面形狀的支撐經(jīng)濟指標最好，T型鋼支撐的經(jīng)濟指標次之。然而，圓鋼管支撐的節(jié)點形式較為復雜，制作成本相對其它幾種截面形狀來說更高，建議根據(jù)工程中鋼支撐節(jié)點的復雜程度以及鋼結構制作公司的制作成本綜合考慮，確定合理的截面形狀。

[1]劉鵬. 石化裝置中高層鋼結構框架設計[J]. 石油化工設計，2009， 26（ 4）： 11-13.

[2]汪楨. 石油化工裝置大型料倉框架設計[J]. 化工設計， 2008，18（ 5）： 39-42.

[3]曹秋云. 羧基丁苯擴建裝置結構設計淺析[J]. 醫(yī)藥工程設計，2005， 26（3）： 28-32.

[4]GB 50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[5]倪光， 徐曉強. 石油化工框架的結構布置及設計方法[J]. 當代化工， 2015， 44（1）： 181-183.

[6]《鋼結構設計手冊》編輯委員會. 鋼結構設計手冊[M]. 第三版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

Discussion of Design of Steel Braced-frame Structure Used in Petro chemical Plant

Wu Juanying
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Understanding in design of steel frame structure used in petrochemical plant was introduced in this article. Combined with the design of frame structure in one polymerization reaction plant, the arrangement of the components in steel structure in bracedframe system was analyzed. The effects of several bracing structures commonly used in engineering were compared, and then the economy of different sectional shapes was discussed.

petrochemical industry; steel frame-support structure; column brace; bracing section

TU 391

：A

：2095-817X（2017）04-0020-006

2017-01-18

吳娟英（1967—），女，工程師，主要從事石油化工結構設計工作。